Plus tard, sous Théodose II, il fallut élargir cette enceinte, et protéger les nouveaux quartiers qui s’étaient formés en dehors des murs constantiniens. Le préfet Anthémius bâtit d’abord en 412 un premier mur intérieur, puis en 447, Cyrus Constantin, un autre préfet, doubla la nouvelle muraille qui avait souffert d’un tremblement de terre, et porta le fossé plus loin. Ce sont ces murs que l’on voit encore aujourd’hui. «Ce rempart, dit M. Schlumberger, est bien plus grandiose que celui de Rome, plus poétique et plus sauvage que celui d’Avignon, infiniment plus étendu et plus important que ceux de Carcassonne ou d’Aigues-Mortes.»
L’ensemble de tous les murs qui défendaient la ville formait un triangle. Les murs maritimes ne comportaient qu’une rangée de murs consolidés par des tours, tandis que ceux du côté de la terre étaient les plus importants. Ils consistaient en trois lignes de défense, protégées par des tours octogonales, carrées et hexagonales et par un vaste fossé rempli d’eau.
Les eaux de la Propontide pénétraient dans le fossé jusqu’à la porte de Pigi, et celles de la Corne d’Or jusqu’à un certain point près des Blaquernes. A partir de ces deux points, le terrain était en effet plus élevé que le niveau de la mer, et le fossé n’était plus rempli que par les eaux de pluie. Des diataphrismata (murs, digues) arrêtaient l’eau aux points inclinés, en sorte que la ville se trouvait entourée de tous côtés par les eaux. Des ponts en bois reliaient les rives entre elles. On les détruisait en temps de guerre. Les portes militaires n’avaient pas de ponts. Les ponts en pierre qu’on voit actuellement sont d’une construction postérieure à la conquête de Constantinople.
Les murs théodosiens s’étendaient depuis la côte de la Propontide jusqu’au palais de Blaquernes. La partie située entre Tekfour-Séraï et la Corne d’Or était plus fortifiée que les autres. Le palais des Blaquernes était entouré par quatre rangées de murs. Le mur de l’intérieur avait été construit par Anastase, lors de la reconstruction du palais ou plus probablement par Héraclius, quand il arma la ville en prévision de l’agression des Avares. La quatrième ligne de défense était formée par des murs solidement construits qui touchaient d’un côté au fossé du tribunal et de l’autre à la tour d’Isaac l’Ange.
La colline des Blaquernes était divisée en deux parties par un mur: l’une, avec le palais et le quartier des Caligaria et l’autre, la partie basse de la colline, qui touchait à la Corne d’Or. Cette dernière, comprenant les églises de Notre-Dame des Blaquernes, des Saints-Nicolas et Priscus et de Saint-Pierre et Saint-Marc, n’était défendue que par deux rangées de murs construits sous Héraclius.
Léon V l’Arménien y avait ajouté un second mur destiné à protéger l’église des Saints-Nicolas et Priscus restée hors des murs d’Héraclius. Ce petit quadrilatère, qui contient aujourd’hui un ayasma, est appelé d’après les topographes modernes Pentapyrgion, tandis que d’après les historiens byzantins, le bâtiment de ce nom faisait partie du grand palais bâti sur la Propontide. Les murs avaient 16 kilomètres de longueur et étaient renforcés par plus de 400 grandes tours de formes différentes. La plupart de ces tours sont carrées; quelques-unes sont de forme hexagonale, octogonale ou ronde. Elles avaient à l’intérieur plusieurs étages, auxquels on accédait par des escaliers en pierre, pris dans l’épaisseur des murs. Chaque tour était munie de canons, de grosses pierres et d’autres engins de guerre.
Ces murs, souvent ébranlés par les tremblements de terre et par les assauts des armées ennemies, tombèrent plus d’une fois en ruine et furent réparés au cours des siècles par les différents empereurs byzantins, et principalement par Théophile, qui les reconstruisit de fond en comble, ainsi que l’indiquent plusieurs inscriptions gravées sur les tours. Les murs et les tours ont été à différentes reprises consolidés par les Turcs après la prise de Constantinople. Ce serait donc une erreur de voir dans ces ruines les effets de la guerre. En les observant avec soin, on constate qu’elles proviennent surtout des ravages du temps et des tremblements de terre.
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