Esta población gozó de la protección de una muralla medieval, aunque con añadidos posteriores. Este recinto contaba con 3 puertas de acceso; al este, al sur y al oeste. Actualmente se conservan partes de los lienzos de murallas, y dos de estas tres puertas.
El acceso más impresionante es el del sur, ya que tras pasar por un gran arco, se da acceso a la plaza mayor, con el Palacio de Avellaneda a la izquierda y la Colegiata de Santa Ana a la derecha.

El castillo de Peñaranda de Duero es una fortaleza ubicada sobre una colina de las proximidades del núcleo burgalés de Peñaranda de Duero.
Su primera construcción data del siglo xi, con el fin de frenar el avance árabe y facilitar su expulsión de la península durante la Reconquista. La construcción siguió el diseño del castillo de Peñafiel.
En el centro, destaca la torre del homenaje, de planta cuadrada, que cuenta con cuatro pisos de vigas de madera. La antigua muralla, de la que se conservan escasos paramentos, tenía un gran grosor y protegía el castillo y el caserío actual.
El Castillo de Peñaranda, fundado en tiempos de Fernán González allá por el siglo XI, se alza en lo alto de una peña dominando el horizonte y la villa castellana de Peñaranda de Duero, pueblo de antiguos caserones y bellos monumentos.
Aunque las primeras defensas de Peñaranda pudieron ser levantadas de forma simultánea a su repoblación, como atestiguan las dos primitivas parroquias, hoy desaparecidas, dedicadas San Martín y San Miguel, construidas al pie del mismo castillo, la mayoría de lo actualmente conservado debe atribuirse al primer conde de Miranda, entre mediados y finales del siglo XV.
De la antigua Muralla, que llegaba hasta la población, queda la hoy denominada 'Puerta de las Monjas'.
Presenta una gran similitud con otros castillos de la comarca ribereña, como los de Peñafiel y Gormaz, y también repite el ventajoso emplazamiento entre un monte y un río, como se observa en Burgos, Frías o Castrojeriz.
Su planta alargada y quebrada se adapta de forma perfecta al escarpado roquedo sobre el que se asienta, la famosa Peña de Aranda, ocupando aproximadamente la mitad occidental de la misma. La puerta de acceso se halla al Este, separada del resto por un foso excavado en la roca viva.
Se cree que en este lugar pudo hallarse el castillo primitivo, entre otras razones porque, junto a los cubos que defienden la entrada, se encuentra otro más pequeño y macizo adosado al Sur con una función no muy clara.
Antiguamente, el foso se salvaba por un puente levadizo y se pasaba al interior a través de una pequeña puerta de arco ojival.
En el conjunto fortificado, destaca la céntrica y sólida Torre del homenaje de finales del siglo XV. De forma cuadrangular, coronada de esbeltas almenas, en cuyos muros, bien conservados, se abren ventanas ojivales y puerta con puente levadizo.
La Torre está construida con piedra de sillar, afianzada sobre la roca, sin cimentación alguna. Consta de planta baja y tres pisos. En la actualidad, su acceso se realiza por el Este a través de un arco ojival situado en el primer piso, al que se llega mediante una escalera metálica de reciente factura.
La solidez, proporción y esbeltez de la misma la convierten en una de las más equilibradas y airosas de la provincia de Burgos. Actualmente el interior de la Torre alberga el Centro de Interpretación de los Castillos.
En el siglo XVII, la fortaleza debía estar deshabitada y prácticamente inservible, lo que aconsejaba a su propietario, el conde de Miranda, la utilización del palacio que poseía en la villa como depósito de armamento.
A pesar de este posible abandono, su monumentalidad y calidad constructiva le permitieron llegar al siglo XX con el suficiente vigor y presencia como para ser considerado uno de los castillos más impresionantes de la provincia de Burgos, lo que le granjeó la declaración de Monumento Histórico-Artístico en 1931.
CENTRO DE INTERPRETACIÓN DE LOS CASTILLOS
El Centro, ubicado en la Torre del Homenaje, se distribuye en las siguientes plantas:
A la entrada encontramos el mostrador de recepción con información específica sobre Peñaranda de Duero. Mediante un programa informático se facilitan datos sobre la Historia de Peñaranda, servicios y espacios de interés turístico.
En el sótano los visitantes se pueden hacer una idea de los diferentes usos que se le daban a este espacio; mazmorras, almacén o aljibe.
La primera sala, a través de paneles explicativos y de proyecciones audiovisuales, acerca al visitante a los hechos, circunstancias y personajes relacionados con la frontera natural del Duero entre los siglos IX y XII. Un espacio que nos introduce en lo que se ha denominado la ‘Línea defensiva del Duero’.
En la segunda sala se exponen maquetas de algunos de los artilugios utilizados en el ataque como pueden ser el trabuquete o las torres de asalto. También se recrea un asedio y ataque al Castillo de Peñaranda de Duero. Mediante audiovisuales se explican las técnicas utilizadas en los asedios y batallas.
La tercera sala hace referencia a la proyección y construcción de castillos. Se pueden apreciar los materiales empleados, las herramientas y la tecnología que se aplicaba en la época, los procesos de diseño y construcción, los oficios relacionados y la evolución arquitectónica y estilística.
En la cuarta sala el CIC muestra cómo era la vida en un castillo. Una zona está dedicada a la vida militar, aquí se pueden observar y conocer algunos de los elementos propios del equipamiento bélico: armadura, cota de malla, sobreveste, escudo, espada, lanza, maza… En esta sala también se muestra la transición de la Edad Media al Renacimiento en el campo del arte y del conocimiento.
La sala quinta ofrece Exposiciones Temporales y Actividades Paralelas.
La visita culmina en el Mirador, desde la azotea de la Torre del Homenaje se aprecia con claridad la configuración urbanística de Peñaranda en relación a los aspectos sociopolíticos de la época.
Ante el soberbio horizonte también se divisan los castillos de Langa de Duero al Sur y el de Coruña del Conde al Este
De la construcción, el aspecto más interesante es la perfección de sus proporciones, lo cual convierte al castillo de Peñaranda en una de las mejores construcciones históricas de la provincia de Burgos.
El 3 de junio de 1931, el conjunto formado por el castillo, el Palacio de Avellaneda y el pueblo fue declarado Monumento Histórico Artístico, siendo uno de los lugares de mayor interés turístico de Burgos. Posteriormente el castillo fue protegido por el Decreto de 22 de abril de 1949 y la Ley 16/1985 sobre el Patrimonio Histórico Español.