El aumento de la población hace que se forme un arrabal frente a este primer núcleo urbano, también protegido por una muralla independiente que seguía las curvas de nivel y cuyo acceso se encontraba junto a la iglesia de Santa Eulalia. Entre medias, fuera de ambos recintos, quedan la Plaza Mayor y la empinada calle que sube desde el río, hasta que a finales de la Edad Media se amplía la muralla que, englobando los dos recintos iniciales, desciende hasta el río, y en la parte superior protege la zona de la Plaza Mayor y el Ayuntamiento.
De esta última cerca quedan algunos pequeños tramos en la parte Este, que sirven de muro al cementerio. Estaba construida de mampostería y alcanzaba los 2 metros de grosor.
Un fuerte huracán el 16 de agosto de 1641 derribó parte de la muralla, afectó a la puerta principal, y ocasionó la pérdida de parte de las torres del castillo. Un nuevo huracán a finales de 1739 contribuyó al deteriodo de la cerca.
Contaba con dos puertas, la situada frente al puente sobre el Arlanza aún se conserva reconstruida y recibe la denominación de Puerta de la Paz, Puerta del Río o Arco de Triunfo. Es de sillería y está formada por un arco rebajado con contrafuerte escalonado a los lados. Otra puerta, ya desaparecida, con aspecto similar a la anterior, estaría situada en el camino a Burgos y se la conocía como Arco de la Taberna.
Por último, la puerta más impresionante se encuentra oculta en el interior de la Torre del Reloj, anexa al Ayuntamiento. Fue probablemente la entrada principal de la villa, construida posiblemente en el siglo XIV con sólidos sillares de piedra y gran altura. Una vez perdida su utilidad, bien por ampliación de la muralla en la Edad Moderna y quedar dentro del casco urbano (se sitúa junto al Barrio Nuevo), o por cambio de uso, fue utilizada como cárcel municipal, vivienda y almacén. En la década de los 80 del siglo pasado fue restaurada y se añadieron varias plataformas y escaleras.
Hoy en su interior se encuentra el museo de Palenzuela, que muestra un recorrido cronológico por la historia de la villa y su territorio con piezas que abarcan desde la Prehistoria y edad antigua hasta la edad contemporánea, además de permitir ver la puerta fortificada desde distintos niveles.
(Castillos de Palencia)