성터의 평면 형태는 불규칙한 모양이며, 성벽은 대지의 생김새를 따라 쌓았다. 북쪽은 강과 접하고 있는 절벽이기 때문에 성벽을 쌓지 않았고, 서벽은 북쪽에 있는 절벽에서부터 서남쪽으로 연결된다. 서벽의 길이는 약 108m, 성벽 너비는 5∼6m이다. 서벽 북단에 위치한 성벽 높이는 약 1.5m이지만 남단으로 내려올수록 점차 낮아지면서 평평해진다. 동벽은 강 절벽과 접해 있어 지세가 험하다. 가장자리는 그다지 정연하지 못하며 성벽은 남아 있는 곳도 있고 그렇지 않은 곳도 있으며, 길이는 155m이다. 남벽을 포함한 세 방향의 성벽 길이는 약 365m이며, 북쪽 절벽 구간을 더한 전체 둘레 길이는 약 500m이다. 한편 서벽 밖에는 너비 약 10m의 해자가 남아 있는데, 북쪽이 비교적 깊은 반면 남쪽은 상대적으로 얕다. 성안은 경작으로 인하여 파괴 정도가 아주 심하여 현재 지표상에서 확인할 수 있는 유물의 거의 없다. 그러나 이전에 동남쪽 모서리의 경작지에서 석영이 함유된 회청색 경질토기조각, 니질의 붉은토기조각, 황갈색에 회색이 섞여 있는 토기조각 등이 발견되었는데, 이는 모두 오동성(敖東城: 돈화 오동성지)에서 출토된 것과 비슷하다.
남대자고성은 목단강 남쪽 기슭에 위치하는 발해의 평지성(平地城)이다. 이 성은 주변의 흑석고성과 더불어 돈화 분지 북쪽에서 목단강을 따라 영안 지역으로 통하는 수륙 교통의 주요 요충지에 축조된 성으로 평가된다.