환인분지의 약 800m의 산지에 축조된 오녀산성 은 남북 약 1,000m, 동서 너비 약 300m의 비교적 규모가 큰 성이다. 동·서·남쪽은 모두 넓적한 돌로 성벽을 쌓았고, 북쪽은 수직에 가까운 벼랑에 의지하여 성벽을 이루었다. 부근에는 고력묘자촌(高力墓子村) 돌무지무덤을 비롯, 많은 고분군이 있다. 이 오녀산성과 주변의 고분군들은 고구려 건국 초기의 국가성격을 이해하는 데 많은 시사를 하고 있다.
오녀산성의 성벽은 30×20×35cm의 돌로 견고하고 높은 성벽을 구축하기 위해 층이 올라갈수록 안으로 들여쌓는 굽도리 축조공법을 사용하였다. 성 내부의 지세는 평탄하며, 서측은 절벽이 길게 이어져 따로 성벽을 쌓지 않았다. 동측은 성문을 직접 공격할 수 없도록 한 겹의 성벽을 더 둘러쌓은 옹성(甕城)이 있다. 이러한 방식은 고구려 유적 중 오녀산성과 국내성에서만 발견되는 양식이다.

성안에는 천지라고 하는 못이 있고, 이 못과 연결된 조그마한 샘도 있다. 못이나 샘은 모두 잘 다듬은 돌로 쌓았다. 1996년부터 1998년까지 진행된 발굴조사에서 약 2,000점에 달하는 고구려시대의 유물이 발굴되었으며, 2004년에 다른 고구려 유적들과 함께 유네스코 세계유산으로 등재되었다.

환인 일대는 요동에서 국내성으로 나아가기 위해 반드시 거쳐야 하는 전략적 요충지이므로 오녀산성은 국내성 천도 이후에도 군사적으로 중요한 역할을 담당하였을 것으로 추정된다. 대체로 환인 서쪽에서 혼강으로 진입하는 교통로를 공제하면서 환인분지 일대의 중심적인 군사방어거점으로서 기능하였을 것이다.