Trong khoảng 10 năm từ 1573 đến 1582, trong bối cảnh quá độ, nhà Mạc chưa chú trọng xây dựng kinh thành Thăng Long quy củ do sự thận trọng của nhà vua. Lúc này cung điện chỉ được dựng tạm thời ở ngoài thành để phục vụ triều đình. Năm 1582 Trần Văn Tuyên đề nghị sửa sang lại kinh thành cho quy củ,dựng cung  điện có quy  mô rộng lớn và vững chắc, nhưng nhà vua vẫn không quyết. Phải đến cuối năm 1585, Mạc Mậu Hợp khi đó muốn vào ở chính thức trong kinh thành Thăng Long mới cho tu sửa lại Hoàng thành để chống lại cuộc tấn công của họ Trịnh. Việc  tu sửa và xây dựng được tiến hành với quy mô  lớn. Lần tu sửa này Hoàng thành đã thu hẹp lại về hai phía đông và tây, một số cung điện bị bỏ ra ngoài Hoàng thành trở nên hoang phế. Tuy vậy, Hoàng thành thời gian này vẫn rộng hơn Hoàng thành thời Lý - Trần và rộng hơn tỉnh thành Hà Nội thời Nguyễn. Tuy nhiên, để tăng cường khả năng phòng thủ cho kinh thành, trước khi mất, Giáp Hải đã dâng lên Mạc Hậu Hợp kế hoạch xây dựng tuyến phòng thủ kinh thành Thăng Long. Theo đó, “về phương tây nam, những chỗ xung yếu giáp giới bên địch thì nên đắp lũy cao, đào hào sâu, đặt bẫy nỏ, nghiêm phòng bị và đặt thêm đồn trại, chia quân giữ nơi hiểm yếu. Thành Đại La từ Cửa Nam, Ông Mạc đến Nhật Chiêu những lũy đất đắp cao lên và khơi thêm những con hào. Trên mặt thành từ Cửa Nam đến Cửa Bắc nên tu sửa những bức tường thấp ở trên mặt thành cho  thật cao để bảo hiểm trong thành. Một khi chiến cụ đã đầy đủ, phòng vệ trong ngoài đã chu đáo thì sẽ giữ vững, đánh sẽ thắng”.

Đầu năm 1587, Mạc Hậu Hợp cho tu sửa bên ngoài cửa thành Thăng Long và chỉnh trang các đường phố. Tiếp đó vua sai xứ Tây và xứ Nam đắp bức lũy bằng đất trồng  tre gai lên trên từ Hát Giang xuống tới sông Hoa Đình thuộc xứ Sơn Minh dài chừng vài trăm dặm đề phòng ngoại binh... Đến năm 1588, trước tình  hình quân Lê – Trịnh ngày càng tăng cường uy hiếp kinh thành nhà Mạc lo tăng cường hệ thống thành lũy phòng vệ quanh thành Thăng Long. Mạc Hậu Hợp cho thực hiện kế hoạch xây dựng phòng tuyến quân sự Nhị Hà – Tô Lịch kiên cố để bảo vệ trực tiếp thành Thăng Long. Nhà Mạc huy động dân bốn trấn vùng đồng bằng “đắp thêm ba lớp lũy ngoài thành Đại La ở Thăng Long, bắt đầu từ phường Nhật Chiêu (nay là phường Nhật Tân, quận Tây Hồ), vượt qua Hồ Tây, qua Cầu Dừa (nay là Ô Chợ Dừa thuộc phường Thịnh Quang, quận Đống Đa) đến Cầu Dền (nay là Ô Cầu Dền, phường Cầu Dền, quận Hai Bà Trưng), suốt đến Thanh Trì, giáp sông Nhị Hà, cao hơn thành Thăng Long đến vài trượng, rộng 25 trượng, đào 3 lớp hào, đều trồng tre, dài tới mười mấy dặm để bọc phía ngoài thành”. Trên bản đồ Hà Nội hiện nay, thành này bắt đầu từ Nhật Tân, chạy theo đường phía tây Hồ Tây, qua Bưởi, Ô Cầu Giấy, theo đường Giảng Võ - La Thành, qua Ô Chợ Dừa, Kim Liên, rồi theo đường Đại Cồ Việt qua Ô Cầu Dền, theo đường Trần Khát Chân, tới Ô Đống Mác, ra tới chân đê sông Hồng. Thành này rộng hơn thành Đại La và đưa toàn bộ khu Hồ Tây vào trong phạm vi thành Thăng Long đời Mạc.

Tuy nhiên, tất cả những cố gắng của triều Mạc trong việc gia cố xây đắp thành Đại La và những chiến lũy này đều trở nên vô ích, không cản được bước tiến của quân Lê – Trịnh tiến vào Thăng Long cuối năm 1592.

Mặc dù có nhiều biến động về chính trị, xã hội song đây cũng chính là thời kỳ kinh tế và văn hóa Thăng Long đặc biệt phát triển, hình thành nên những vùng buôn bán khá hưng thịnh. Chợ phát triển nhiều, buôn bán sầm uất ở kinh kỳ. Tầng lớp thị dân ngày một gia tăng, có một số trở thành chủ xưởng, chủ hiệu giàu có, nhưng đông đảo vẫn là người sản xuất và buôn bán nhỏ. Với một chính sách khá cởi mở đối với thương nghiệp, nhà Mạc không “ức thương” như nhà Lê trước đó, nên đời sống Thăng Long ổn định, người dân kinh thành sống dễ chịu hơn.

Thăng Long thời Mạc, về văn hóa - giáo dục cũng có bước phát triển đáng ghi nhận, đây cũng là thời gian thành Thăng Long chứng kiến sự thăng hoa của mặt bằng trí thức so với thời cuối Lê sơ. Giống như thời Lê Thánh Tông, Thăng Long dưới thời Mạc vẫn là nơi hội tụ các sĩ tử của cả nước, cứ ba năm một lần, tập hợp tại đây so tài cao thấp mong “vượt vũ môn” để giúp đời. Triều Mạc, mặc dù dựa vào Nho giáo để trị quốc nhưng vẫn cho phép các tín ngưỡng, tôn giáo khác phát triển, nhất là Phật giáo. Dưới thời Mạc, Phật giáo lại có điều kiện để hưng khởi. Nhiều chùa ở kinh đô Thăng Long được tu sửa, tôn tạo, bên cạnh các chùa Phật Tích, Bút Tháp, Vĩnh Nghiêm, Luy Lâu thuộc Kinh Bắc cũng được trùng tu...

Anh Tuấn