Piazza Duomo è delimitata a ovest e a nord dalle mura medievali della città, che incorniciano il prato in cui spiccano i bianchi monumenti romanici. In questo tratto si inseriscono porte e torri coeve o successive alla fase di costruzione di questa porzione di mura urbane.
Partendo da ovest e in successione sono presenti: Porta Nuova o Porta S. Maria, aperta nella cortina medievale nel 1562, la Torre e il portello di Catallo, la Torre e Porta del Leone (con il leone di pietra posto a guardia), la Torre di S. Maria, a guardia del ponte sull’Auser, cioè sul ramo del fiume Serchio che lambiva le mura cittadine, fino alla torre di S. Stefano all’estremo oriente della piazza.
L’angolo nord-occidentale delle mura comunali ha avuto tre fasi costruttive: la prima fase è il segmento compreso tra la Torre del Leone e la Torre di S. Maria (I lotto del 1154), successivamente è stata costruita la parte nord, tra la Torre S. Maria e la Torre di S. Stefano (IV lotto del 1156), per ultimo è stato edificato il tratto occidentale, tra la Torre del Leone verso lo Spedale di Santa Maria (V lotto del 1157) e nel quale verrà successivamente aperta l’omonima porta.
Il lotto più antico ha la particolarità di avere utilizzato nella cortina muraria bozze di grandi dimensioni di panchina, ossia di una pietra di color giallo, proveniente dalla costa livornese. Questi elementi hanno fatto ipotizzare la presenza di resti di una cortina muraria più antica, etrusca o romana. Il resto delle mura sono invece costruite con materiali di provenienza diversa: la fascia inferiore, di color grigio, è in bozze di calcare di S. Giuliano, la fascia superiore, rosata, è in conci squadrati di breccia di Asciano (i nomi si riferiscono alle località delle cave di pietra sul vicino Monte Pisano).