Η κλασική πόλη της Σάμης, κατά το πρότυπο των πόλεων κρατών του ελληνικού χώρου της εποχής διέθετε μία ισχυρή οχύρωση, η οποία υποδεικνύει την αναγκαιότητα προστασίας των κατοίκων της κατά την κλασική και ελληνιστική περίοδο, από εξωτερικές απειλές. Στους αντιπάλους της Σάμης θα μπορούσαν να συγκαταλέγονται κατά καιρούς ακόμη και οι άλλες πόλεις της Κεφαλονιάς.

Η ακρόπολη ορθώνεται τους λόφους Παλιόκαστρο» ή «arx major» (όπως αναφέρεται από τον Λίβιο κατά την περιγραφή της πολιορκίας της Σάμης από τους Ρωμαίους) και «Άγιοι Φανέντες» ή Κύατις, ανατολικά/ βορειοανατολικά της σύγχρονης πόλης, όπου μεταξύ των δύο λόφων διέρχεται βαθιά κοιλάδα. Η οχύρωση ενισχυόταν με ένα πύργο, εγκάρσια σκέλη στις πλαγιές των δύο λόφων και παράλιο τείχος για την προστασία από την πλευρά της θάλασσας, ενώ η είσοδος στο εσωτερικό της γινόταν από πέντε πύλες, εκ των οποίων καλύτερα διατηρείται η λεγόμενη ανατολική της μεγάλης ακρόπολης. Πρόκειται για ένα εκτεταμένο έργο, το οποίο φαίνεται ότι ξεκίνησε τον 5ο αι. π.Χ., με  επεκτάσεις και επισκευές, που αποτυπώνονται σε διαφορετικά συστήματα δόμησης, αλλά και μεταγενέστερες επεμβάσεις στο πέρασμα των αιώνων μέχρι και τους μεσαιωνικούς χρόνους, που συνδέονται με ιστορικές συγκυρίες και τις αντίστοιχες επιρροές που δέχεται τότε η πόλη από δυνάμεις που ήλεγχαν  τις τύχες των ελληνικών πόλεων. Η ολοκλήρωση της οχύρωσης της αρχαίας πόλης, ανάγεται περίπου στο 300 π.Χ., με την ανέγερση του παράλιου τείχους, για την προστασία της από τη θάλασσα. Υλικό κατασκευής αποτελεί το ασβεστολιθικό πέτρωμα της περιοχής, για λόγους προφανώς εξοικονόμησης χρόνου, κόπου και κόστους. Η έκταση και η μορφή της οχύρωσης προφανώς σχετίζεται με τον πληθυσμό της πόλης, αλλά και τα σημεία που η μορφή του εδάφους εξασφάλιζε την καλύτερη φυσική υποστήριξη των τειχών.