Die Architektur ändert sich schlagartig, wenn man den historischen Stadtkern durch die alten Wallanlagen und die Stadtmauer betritt. Die Stadtmauer, von 1252 bis 1305 erbaut, ist etwa zur Hälfte noch gut erhalten. Die Wälle wurden im 15. Jahrhundert zum Schutz gegen die aufkommenden Feuerwaffen angelegt. Die ehemaligen Wassergräben am Tourlaviller Wall haben sich zu einer kleinen Reihe von Teichen entwickelt, auf denen im Sommer die Enten schwimmen und im Winter die Northeimer Jugend Schlittschuh läuft. Von den alten Verteidigungsanlagen beeindrucken besonders die Streichwehr am Adolf-Hueg-Wall, 1627 von Tillys Truppen erbittert umkämpft, und das Bollwerk am oberen Tore. Letzteres wird von einem mächtigen Turm dominiert, der nach 1739 von der Northeimer Brauerei als Brauturm genutzt wurde. Heute befindet sich in dem Turm ein Jugend- und Kulturzentrum.

Gegenüber vom ehemaligen Kloster steht eine geschlossene Reihe mittelalterlicher Bürgerhäuser. In einem der Fachwerkhäuser, dem Reddersen-Haus aus dem 15. Jahrhundert, ist heute die Tourist-Information untergebracht. Die ehemalige Pilgerherberge Sankt Spiritus, eines der bedeutendsten gotischen Fachwerkgebäude Niedersachsens, beherbergt das Museum der Stadt.

Die Innenstadt Northeims bietet ein harmonisches Stadtbild. Die geschlossenen Fronten der traufenständig gebauten Fachwerkhäuser werden nur an wenigen Stellen durch Backsteinbauten unterbrochen. Kriegseinwirkungen und mehrere Großbrände haben diese Fachwerklücken hinterlassen. Das Stadtbild wird hierdurch aber kaum beeinträchtigt, zumal die einzelnen Bauepochen ihre deutlich sichtbaren Zeugen hinterließen.

Besonders nach dem Stadtbrand im Jahr 1832 sind Neubauten mit bescheideneren Mitteln, aber doch in einheitlicher Fachwerkbauweise entstanden. Die nach dem Brand am östlichen Markt im Jahre 1892 in Backsteinbauweise errichteten Häuser beeinflussen das Stadtbild nicht unbedingt negativ. Sie zeigen in ihrer Geschlossenheit ein eindrucksvolles Bild des Baustils der Gründerzeit.

Die schönsten Bereiche der Northeimer Innenstadt, die Gassen um die Sankt-Sixti-Kirche und um den Entenmarkt, liegen etwas verborgener. Sie wollen entdeckt werden. Teile der mittelalterlichen Hallenkirche Sankt Sixti stammen aus der ersten Hälfte des 13. Jahrhunderts. Der leicht gedrehte Turm schraubt sich auf 63 Meter hinauf und prägt die Silhouette der Stadt. In den Gassen rund um die Kirche finden sich viele alte Fachwerkhäuser und Parkanlagen, die wenige Meter vom geschäftigen Treiben der Marktplätze Ruhe und Gemütlichkeit ausstrahlen. Zwischen den alten Gebäuden, Kirche und Stadtmauer steht die jüngste kulturelle und architektonische Sehenswürdigkeit Northeims, das märchenhafte Theater der Nacht. In diesem Puppen- und Figurentheater reisen Kinder und Erwachsene in die Länder von Fabel und Phantasie.

Rund um den Entenmarkt im nordöstlichen Teil der Altstadt erwarten den Besucher viele Kopfsteinpflastergassen, an denen einfache und prächtige Bürgerhäuser gleichermaßen liebevoll restauriert sind. Dieser Teil der Stadt hat mit seinen malerischen Fachwerkhäuschen einen ganz eigenen Charakter. Durch kleine Sprossenfenster dringt das warme Licht der Wohnstuben oder der kleinen Läden auf die Straße. Die schiefen Gebäude scheinen sich eins ans andere anzulehnen, um nicht umzufallen. An den Wänden wachsen Rosen und Efeu, und die großen Tore belegen, dass den Bewohnern im Mittelalter das Braurecht zustand.