Đời Nguyễn, năm Minh Mệnh thứ 12 (1831), tỉnh Hà Tĩnh được thành lập, tỉnh lỵ Hà Tĩnh cũng được hình thành từ thời gian đó. Năm Quý sửu, Tự Đức thứ 6 (1853), triều đình bỏ tỉnh, lấy phủ Hà Thanh (trước năm 1841 là Hà Hoa) lập đạo Hà Tĩnh. Đạo thành được đặt ở thôn Nài Thị, xã Đại Nài, nguyên lỵ sở huyện Thạch Hà.

Năm 1875, vua Tự Đức cho tái lập tỉnh Hà Tĩnh như trước. Tỉnh thành lại dời về thành cũ ở Trung Tiết. Đến năm Nhâm Ngọ (1882), Tự Đức năm thứ 34 thành Hà Tĩnh mới được xây dựng bằng đá ong.

Thành xây theo kiểu Vô-băng, một chuyên gia người Pháp được vua Gia Long tin dùng và đã từng thiết kế thành Huế. Xây theo kiểu này Thành có mặt phẳng và gấp khúc theo hình chữ V để có thể đứng trên mặt Thành bắn thẳng xuống chân thành khi bị đối phương áp sát. Chu vi Thành 366 trượng 5 thước, 6 tấc, cao 8 thước (3,2m), xung quanh Thành có hào rộng 5 trượng (20m) sâu 4 thước (1,6m) chiếm một diện tích gần 134.000 m2, nếu kể cả phía ngoài Hào Thành là 160.000m2. Thành có 4 cửa, các cổng thành xây bằng gạch khá kiên cố, hướng về phía nam gọi là cửa Tiền, trên cổng có vọng lâu, có treo một quả chuông lớn để điểm giờ gác, do lính khố xanh phụ trách. Hướng về phía bắc là cửa hậu, cửa này thường đóng kín, vọng lâu trên cổng làm vọng gác nhà lao bên trong. Hướng về phía tây là cửa Hữu, trên vọng lâu có treo một cái trống lớn, cũng để điểm giờ do lính khố lục phụ trách. Hướng về phía đông là cửa tả, cửa này đóng kín quanh năm, vì ở phía trong là doanh trại lính khố xanh, phía ngoài là nghĩa địa của người Pháp.

Từ các cổng thành có các cầu bằng gạch xây cuốn vượt qua hào thành ra ngoài. Trong thành có ba con đường chính rải đá, đó là những con đường đi trong nội thành thông ra các cửa thành. Đường thứ nhất từ cửa Tiền thông ra hồ sen, ra nhà lao. Nếu tính từ cổng thành cửa Tiền đi vào, theo đường Nguyễn Thiếp thì bên phải là trại lính khố xanh, đến nhà làm việc của các sĩ quan chỉ huy, đứng đầu là tên giám binh người Pháp, tiếp đến là nhà ở tập thể của gia đình binh lính mà dân thường gọi là trại gái và sau cùng là trại ngựa. Đường thứ hai nối từ đường nhất ra cửa hữu đi vào phía bên trái có các dinh thự: dinh Tuần Vũ phía trước, tiếp sau là nhà án sát, nhà lĩnh binh. Bên phải là trại lính khố lục, đến sân bóng vừa là bãi tập của lính. Cạnh sân bóng có hành cung, nơi các quan nam triều bái vọng nhà vua những ngày khánh tiết. Trước hành cung có cột cờ, hồ sen và hai khẩu súng thần công. Đường thứ ba nối từ đường thứ hai ra cửa hậu. Nếu từ cổng thành cửa hậu (cầu Đồng Vinh) đi vào thì bên trái là nhà Lao Hà Tĩnh xây gạch, có tường cao bao bọc, bốn góc có chòi canh, lính khố xanh thay nhau gác mỗi ngày. Trong thành có nhiều hồ nước, hai hồ bán nguyệt trước hành cung và dinh Tuần; bên cạnh dinh Bố chính có hồ Thành, trước nhà Lao có hồ lớn trồng sen, đến mùa hè sen nở rộ, hương thơm toả ngát cả vùng. Do đó người ta còn gọi là Thành Sen.

Ở đây còn có truyền thuyết: xưa kia ở Đạo thành Đại Nài có nhiều sen. Một đêm mưa to gió lớn, người dân địa phương và quan lại tỉnh hết sức ngạc nhiên vì thấy sen mọc đầy trong hào thành. Tỉnh thần cho đó là “điềm lành”, bèn tâu xin nhà vua cho dời tỉnh thành về lại Trung Tiết. Từ đó, ngoài tên gọi Tỉnh Thành, người ta còn gọi vùng đất này là “Liên Thành, Thành Sen”. Có người lại cho rằng kiểu thành Vô – băng trông giống như bông sen tám cánh, nên gọi như thế. Thành Nghệ An (thành Vinh) cũng kiểu Vô – băng nhưng người ta lại cho là giống con rùa nên gọi là Quy thành (Thành Rùa) (Theo nhà nghiên cứu Thái Kim Đỉnh).