Cetatea datează din secolul al XIV-lea, fiind opera voievodului Petru Muşat (1375-139). Numele acesteia, conform autorilor Gabril Luca şi Gheorghe Dumitroaia, ar putea proveni de la hidronimul „Neamţ”, respectiv numele râului care curge la poalele muntelui, pe care este amplasată cetatea. Planul cetăţii are aspectul unui patrulater cu laturi inegale, iar turnurile de apărare au fost încadrate direct în scheletul de ziduri. Aceasta este prevăzută cu mai multe intrări. Una pe latura de nord (poarta secundară) şi una pe latura de vest, lângă turn.
La construcţia cetăţii au participat meşteri transilvăneni, iar stilul gotic este cel mai evident la ancadramentele de porţi şi ferestre. Cele mai multe dintre încăperile cetăţii au fost destinate nevoilor garnizoanei militare.
Aceasta prezintă două faze importante de construcţie, cea muşatină şi cea din timpului lui Ştefan cel Mare.
Cetatea a fost demolată parţial în 1718 din ordinul principelui fanariot Emil Racoviţă, la cerinţa otomanilor.

Accesul în cetate se realiza de pe un pod arcuit, sprijinit pe 11 piloni de piatră de formă prismatică.

Cetatea a fost întărită în timpul lui Ştefan cel Mare prin intermediul unor şanţuri de apărare flancate cu bastioane puternice.

Despre încăperea aflată lângă întrarea pe sub turnul de nord-est se presupune că a fost folosită drept închisoare (este marcată pe plan cu litera B).

Una dintre încăperi este posibil să fi avut, în momentele cele mai grele, rolul de păstrare a tezaurelor domneşti (este marcată pe plan cu litera C).

Deasupra „monetăriei” a existat un paraclis. Acesta a fost renovat în timpul lui Vasile Lupu, când cetatea a fost transformată în Mănăstirea Sf. Nicolae de la Cetatea Neamţului”.

Datorită faptului că încăperea a fost realizată din cărămidă şamotată, se presupune că a fost de fapt baia cetăţii, folosită de garnizoana militară. Tot pe aici trece şi unul dintre ulucele de scurgere a apei din curtea interioară (este marcată pe plan cu litera D).

Încăperea de jos a turnului de sud-est avea boze în care se presupunea că erau aruncaţi condamnaţii celor mai grave abateri (la litera F pe plan).

Pe latura de sud, cea mai ferită de bombardamente se consideră că se aflau camerele de locuit ale căpeteniilor, în timp ce la demisol se aflau depozitele cu provizii (litera G pe plan).

Sala de judecată sau „scaunul domnesc” se află pe latura vestică şi este spaţioasă şi impunătoare prin forma sa boltită (litera J pe paln).

În curtea interioară a fost cercetată arheologic cu ocazia lucrărilor de restaurare şi o fântână, cu o adâncime apreciabilă.

În interiorul curţii au fost descoperite resturilor mai mulot construcţii. Demn de menţionat este un cuptor care a funcţionat la sfârşitul secolului al XVII-lea.

În timpul lucrărilor de restaurare din anul 1965 a fost descoperit în dreptul celui de-al doilea bastion semicircular, din partea stângă a porţii principale un tezaur monetar, format din monede de argint din secolul al XVII-lea emise de regii Poloniei.