外郭城形状近方形，东西宽度略大于南北长度，东西宽9000多米，南北长8000多米，城周长35·5公里。由于城墙过长，修建时间仓促，大兴城初完工时城墙较低矮，以后陆续增筑过多次，见于记载者即有隋大业九年（613年）一次、大业末年一次、唐高宗永徽五年（654年）两次、唐玄宗开元十八年（730年）一次，前后共5次。大兴城外郭城南、东、西三面各开三门，至唐相承未改。南面中间为明德门，东为启夏门，西为安化门；东面由北至南依次为通化门、春明门、延兴门；西面由北向南依次为开远门、金光门、延平门。北面两门，都在宫城西侧，西为光化门，东为华林门，唐避武后祖讳改为芳林门。城内靠北墙中央为宫城，其南为皇城，其余部分共有14条东西向街道，11条南北向街道，把外郭城分成排列规整的坊市。以全城南北中轴线朱雀大街（正对皇城正门朱雀门）为界，两侧相互对称。全城共有109坊，朱雀街西为55坊，朱雀街东为因城东南角曲江池占去一坊地，比街西少一坊，为54坊。此外，在朱雀街东西两侧，各用两坊地面积，修筑有都会市和利人市。都会市在朱雀街东侧，唐代称为东市；西市在朱雀街西，唐代称为西市。坊四面有围墙，通过固定的坊门出入，是相对封闭的居住区。坊又称里，坊制是由秦汉在城乡普遍施行的闾里制沿承而来。东、西两市是商肆集中的商业区。
宫城即大兴宫，是皇帝寝居和处理朝政的场所。宫城内部分为三大部分，中间部分供皇帝寝居临朝，狭义的大兴宫或宫城，即指这一部分。东面为东宫，是皇太子的寝居之地。西面为掖庭宫，是普通宫女的住所。宫城南面有门连同皇城，北面有门出城入大兴苑。
皇城在宫城的南面，是朝廷各个部门的办公区。除个别一些部门有特殊情况外，几乎全部政府机构，都集中在这里。此外，祖庙和社稷坛也按照《考工记》“左祖右社”的说法，分别排列在皇城城垣内的东西两侧。
为解决宫廷和城内居民的生活用水以及园林绿化用水，宇文恺在大兴城中还设计了永安渠、清明渠、龙首渠、和曲江池水几条水渠，流贯外郭城、皇城、宫城和大兴苑。曲江池本是一处天然水泊，秦汉时即曾修凿，辟为游赏胜地。宇文恺进一步疏凿整治，使其占去整个城内地势最高的东南隅处一坊之地，一方面作为水库，调剂城内供水，一方面也为城市开辟一处风景区，并在这里修建离宫别馆，供帝王权贵游赏。隋文帝忌讳“曲江池”的“曲”字，便根据曲江池多芙蓉而改名为芙蓉池，同时将曲江池边的园林馆舍命名为芙蓉园。
大兴苑在城北，西起汉长安城故城（汉长安城被圈围在苑内），东止灞水、浐水岸边，北至渭水，南抵大兴城下。大兴苑的设置，主要是供帝王游玩，但它对保障大兴城特别是宫城的安全，也起到重大作用。大兴城的宫城北墙，同时也是外郭城的北垣，墙外没有其他依托，而北面的龙首原为制高点，容易对宫城造成威胁。将城垣北面化作苑囿，可以充分利用北面的渭水和东面的灞水、浐水，以及四面的苑墙，拱卫皇宫。
大兴城所在的位置，地势起伏不平，有许多冈坡。宇文恺规划大兴城，总体设计思想是将整个城区作为均一的平面来安排布局，大兴城布局规划的最大特点，是平面几何形式上的整齐对称。刻意追求平面布局形式的完美，必然会妨害合理利用地形。大兴宫中有一半地方，海拔高程在410米以下，而全城109个坊中，却有80个左右的坊，海拔高程在410米以上，这与帝王之居很不相称；而宫城南面的皇城，地势更为低洼，同样不适于布置朝廷百司。
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