Nel XVI secolo, durante le tensioni tra Gualdo e Sarnano, il mulino fu ulteriormente fortificato e considerato strategico per la difesa del territorio comunale. L’edificio, realizzato in pietra arenaria sbozzata tipica della zona. La torre, a pianta rettangolare di circa 11×9 metri, si sviluppa su tre piani e raggiunge un’altezza di 11,50 metri sul lato nord-est. Al piano terra, che si innalza per circa metà dell’altezza complessiva, si trova un unico ambiente voltato a botte che ospita ancora il mulino con le macine e le attrezzature in legno originali.
L’accesso avveniva tramite un ponte levatoio, interamente manovrabile e sostenuto da catene metalliche che scorrevano attraverso due fori quadrati situati sopra il portale. L’attuale locale laterale, invece, è frutto di un ampliamento successivo, ricavato nello spazio un tempo occupato dal ponte levatoio e delimitato dal muro battiponte.
La porta d’ingresso del mulino, situata sulla parete nord-est, era protetta all’esterno da beccatelli in pietra arenaria e da piombatoi, utilizzabili dal primo piano. All’interno si conserva ancora in parte una saracinesca in legno di quercia, che scorre verticalmente in due canali laterali anch’essi di quercia.
Su tutti e quattro i lati della torre si aprono bombardiere, pensate per l’impiego anche di artiglierie semiportatili. Sul lato nord-ovest, al primo piano, si trova la porta che conduceva ai piani superiori, in seguito adibiti ad abitazione della famiglia del mugnaio. Qui sono ben visibili gli incavi del ponte levatoio e la fessura del bolzone; sulla stessa parete, a destra della porta e alla stessa altezza, si trova una bombardiera, mentre un’altra al piano superiore completava la difesa dell’accesso.
Fortificato dai Gualdesi nel 1512, il mulino assunse l’aspetto di una torre merlata con beccatelli e caditoie, raggiungendo sul lato nord un’altezza complessiva di circa 18–19 metri. In quell’occasione i muri perimetrali furono raddoppiati, arrivando a uno spessore di circa due metri, che ancora oggi caratterizza la struttura.