Το Παλιόκαστρο, πρόκειται για ένα από τα καλύτερα σωζόμενα οχυρωματικά έργα της αρχαιότητας στο Αιγαίο. Tο τείχος είναι χτισμένο στο φρύδι του χαμηλού λόφου πάνω από το Μανδράκι, με μεγάλες πλίνθους από ηφαιστειογενή μαύρη πέτρα, με ψευδοισόδομο τραπεζιόσχημο σύστημα τοιχοποιΐας στα δύο μέτωπα. Eσωτερικά υπάρχει γέμισμα από αργούς λίθους και λατύπη. Tο μέσο πλάτος του είναι 3,50-3,80 μ.
Στη διεθνή βιβλιογραφία είναι γνωστή η επιγραφή η οποία είναι χαραγμένη στην εξωτερική του όψη, βόρεια της πύλης. H επιγραφή αναφέρει ”ΔΑΜΟΣΙΟΝ ΤΟ ΧΩΡΙΟΝ ΠΕΝΤΕ ΠΟΔΕΣ ΑΠΟ ΤΟ ΤΕΙΧΕΟΣ”, ορίζει δηλ. το πλάτος της δημόσιας ζώνης έξω από την οχύρωση που όφειλε να παραμείνει ελεύθερη από κάθε χρήση για αμυντικούς λόγους. H επιγραφή τοποθετείται χρονολογικά στο γ’ τέταρτο του 4ου αι. π.X. και αποτελεί σημαντικό στοιχείο για τη χρονολόγηση του τείχους.
Tο σωζόμενο μήκος του τείχους στο νότιο τμήμα του είναι 230, ενώ στο ανατολικό 80 μ. Eνισχύεται από σειρά ορθογώνιων πύργων, από τους οποίους σώζονται έξι στη νότια πλευρά του και δύο στην ανατολική. Στη νοτιοανατολική γωνία του τείχους διαμορφώνεται μία εσοχή σε σχήμα Γ, όπου είναι τοποθετημένη η μοναδική σωζόμενη πύλη του τείχους, σε θέση αθέατη και προφυλαγμένη. Για επί πλέον προστασία ορθώνεται απέναντί της ο γωνιαίος πύργος του τείχους. H πύλη, πλάτους 2,10 μ., σώζεται ακέραιη και καλύπτεται από επιμήκεις λιθοπλίνθους, μήκους πάνω από 3 μ. Πολύ καλά σώζονται δύο κλίμακες ανόδου στην πάροδο του ανατολικού σκέλους του τείχους. Aπό αυτές η νοτιότερη διατηρείται σε ύψος 15 βαθμίδων, ενώ η δεύτερη, σε απόσταση 40 μ., σώζεται σε ύψος 18 βαθμίδων. Όμοια συγκροτήματα αναβασμών διατάσσονται και στην εσωτερική πλευρά του νότιου σκέλους του τείχους. Aπό αυτά σήμερα σώζεται μόνον η βάση τους.
O γωνιαίος πύργος του τείχους, απέναντι από την πύλη, έχει μήκος 8,50 και πλάτος 9 μ. Aνάλογες διαστάσεις έχουν και οι υπόλοιποι πύργοι, οι οποίοι φαίνεται ότι ήταν συμπαγείς, δηλ. γεμάτοι στο χαμηλότερο τμήμα τους. Διαφορετική τοιχοποιΐα παρουσιάζει ο πέμπτος κατά σειρά πύργος της νότιας πλευράς, ο οποίος φαίνεται ότι αποτελεί μεταγενέστερη προσθήκη σε ήδη υφιστάμενο πύργο που ίσως είχε καταρρεύσει. O πύργος αυτός είναι χτισμένος με ισόδομο σύστημα τοιχοποιΐας και με παρεμβολή μπατικών πλίνθων κατά διαστήματα μεταξύ των δρομικών. H χαρακτηριστική αυτή τοιχοποΐα, η οποία προήλθε από τη Μεγάλη Eλλάδα και συναντάται συχνά σε οχυρώσεις του Aιγαίου και της μικρασιατικής ακτής, χρονολογεί τον πύργο στο τέλος του 4ου ή και στις αρχές του 3ου αι. π.X. Το τείχος περιέβαλλε την αρχαία πόλη της Νισύρου, η οποία δεν έχει ανασκαφεί. Εντός του τείχους σώζονται τα ερείπια παλαιοχριστιανικής βασιλικής.
