천안목천토성은 미호천으로 유입하는 병천천의 상류에 위치하며, 동쪽에 자리한 청주와 서쪽에 위치한 천안을 통하는 주요 교통로를 방어하기 위한 성곽이다. 성 안에서는 토기 조각, 기와 조각을 비롯하여 많은 유물이 출토되었는데 주로 통일 신라 이후의 유물이 주종을 이룬다. 축조 시기와 관련하여 백제 토성으로 보는 견해와 7~9세기 성행한 통일신라시대 토성으로 보는 견해가 있다.
충청남도 천안시 동남구 목천읍 남화리 일원으로 천안시의 동쪽에 위치한 해발 519m의 흑성산 남동 기슭에서 갈라져 남쪽으로 뻗어 내린 구릉의 말단부에 위치하고 있다. 성곽은 구릉과 평지 위에 축조하였다. 발굴조사 당시 잔존 부분은 북벽과 서벽으로 약 190m에 달한다. 이를 기초한 복원 길이는 450m이다. 다만 평지까지 감싸는 성벽의 흔적을 감안 할 때 그 규모는 더욱 컸던 것으로 보인다.
성벽은 판축 토성으로서 기저부의 폭은 5.6m이며 높이는 약 4.5m이다. 성벽 조성은 약 3.8m 구획으로 나무 기둥을 설치하고 그 내부를 시루떡과 같이 암반층에서 파낸 황갈색 사질토와 적갈색 점질토를 교차로 쌓아올렸다. 각 층의 두께는 2~10㎝ 정도이다. 그리고 수직에 가까운 판축성벽의 무너짐을 방지하기 위하여 바깥 성벽에 보강 시설을 마련하였다. 그 형태는 돌을 쌓아 올린 경우와 돌과 기와를 섞어서 쌓아 올린 경우, 기와를 쌓아 올린 경우 등 다양하다. 성 안에서는 유물 포함층과 석열 그리고 작은 구멍 등이 조사되었다. 건물지로 추정되는 곳도 일부 확인되나 상당수가 파괴되어 그 원형을 파악하기 어렵다.