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사적 제264호. 둘레 682m. 석회암과 사암으로 쌓은 석축산성으로서, 성벽이 산의 정상 부근부터 북쪽을 향해 형성된 경사면의 윗부분에 둘려 있는 테뫼식 산성이다. 성벽의 구조는 주로 내외협축(內外夾築)의 형식을 취해 축조되었다.

1989년 충북대학교 박물관에서 지표조사를 했다. 성벽의 기단부는 암반을 이용해 기초를 삼고 있으나 일부 구간에는 암반부를 보강하기 위하여 계단상으로 기단석축을 한 곳도 있다. 이러한 축조방법은 고구려 산성에 많이 나타나고 있어 주목된다. 또한 수축된 북쪽 성벽의 기단 보축(補築)은 45° 각도로 역삼각형의 돌쌓기를 하고 거기서 1m 안쪽에 성벽이 축조되는 방법을 사용했다. 보은의 삼년산성에서 이러한 방식의 가장 전형적인 예가 나타나고 있다.

성문은 남문·동문·북문의 3군데가 확인되고 있는데, 통행을 위한 보조시설을 갖추고 있다. 성 안에 본래 우물이 있었으나 지금은 매몰되고 없다. 성 안의 물을 밖으로 빼는 배수시설인 수구가 북쪽 성벽에 있는데 높이 65㎝의 긴 사다리꼴이다. 성 안에서 채집된 유물로서 토기편·기와편·숫돌·철화살촉 등이 있다. 이 가운데 토기편들은 삼국시대와 통일신라시대로 한정되고 있어 그 사용기간은 삼국시대부터 통일신라시대까지였음을 알 수 있다.

온달산성은 광개토왕릉비문에 보이는 아단성(阿旦城)으로 비정하기도 한다. 원래 아단성은 396년 고구려가 백제로부터 공취한 58성 700촌 가운데 하나인데 실지회복을 위하여 출정한 고구려 온달장군의 전사장소라는 전설이 남아 있기 때문이다.