六百多年来，镇海楼屡经毁建，但基础和侧墙还是明代旧物，古貌依旧。

镇海楼复檐五层，为楼阁式建筑，逐层收减，侧观似塔正看为楼，高28米，首层面阔31米，深15.77米，占地面积约489平方米。楼墙下两层用红砂岩条石砌造，上三层为砖砌。楼顶为单檐歇山顶，正脊为石湾彩釉鳌鱼花脊。

镇海楼门前东西两侧，置有一对形态简朴古拙的红砂岩雕石狮子，为明代遗物。石狮旁边立有《镇海楼记》碑刻。

明清时期，居高临下的镇海楼，不仅是珠江航道的显著航标，也起着军事瞭望和防御作用。

第二次鸦片战争期间，镇海楼为筹议战事之地，清朝官兵以古城墙作掩护，抗击英法联军的入侵。

清光绪十年（1884），中法战争爆发，兵部尚书彭玉麟前往广东部署海防，驻兵在镇海楼。他审时度势、运筹帷幄，英勇对抗侵略者。“万千劫危楼尚存，问谁摘斗摩霄，目空今古；五百年故侯安在，使我倚栏看剑，泪洒英雄！”这副悬于镇海楼第五层正门上著名的楹联，就是彭玉麟所撰。

1929年，镇海楼成为广州市市立博物馆，是我国最早期创建的博物馆之一。1950年，正式改称广州博物馆，并沿用至今。

馆内基本陈列有“城标·城史”展览，通过七百多件古代和近代文物、照片和资料，展示广州两千多年历史变迁的轨迹和文化特点。

镇海楼与广州明城墙于2013年被国务院列为第七批全国重点文物保护单位。镇海楼于2019年10月入选中国历史文化名楼名单。