南城位于大遗址黑水国保护区的冬南隅，平面呈正方形，东垣正中辟门，有圆弧状瓮城门，瓮城门南开，城内东北角设巨墩，城垣下半部被沙掩埋。南城是大遗址黑水国的标志性古城址，其特征是：古城垣保存相对完整；角墩高大宏伟，造型别致；城内建筑遗迹密布，并发现有壁画埋藏；城垣建设延续时代较长，研究价值较高。
1992年在城垣上用平板仪测量，东垣长228.5米，南垣长252.5米，西垣长223.5米，北垣长263.5米，总长968米。平均南北宽度为226米，平均东西长为258米，城址面积为58308万平方米。若从基础测量，结果应略大于上列数据。墙基厚度4.6米，残高7米～8米，门宽7米。城门南侧原有向内转折的短墙，有加帮和修葺痕迹，夯土层厚度为20厘米，显然为明代所筑。瓮城曲垣用汉砖砌筑，应该是明代以前形制。城门南16米处有护门墩台，从夯土层情况看，应为明代所筑。东城垣北段有两次加筑痕迹，下层（原始城墙）夯土层厚度为15厘米～17厘米，时代较早，高度为3米。之上为中间加固层，加筑夯土层厚度不清晰，中间夹有一排木任木，木任木截面直径10厘米～12厘米，木任木距为2.9、2.4、1.2、2.9米不等，木任木以上夯土层中有汉砖碎块，中间加筑层厚度约1.8米。上部加筑层总高1.5米，夯土层厚度为10厘米～14厘米，亦夹有一排桩木，木任木截面直径20厘米，木任木距均为2.6米，木任木层下压有汉砖和石块。东城墙南段和南城墙东段上层均为后来加筑，南城墙中段有土坯补修痕迹。北墙西段下层（原始墙体）夯土层厚度为16.20厘米，高约5米，后经加筑，加筑时先以土坯垫平墙头，土坯为36×20×7厘米～8厘米，土坯层以上为版筑，夯土层厚度23.25厘米，加筑墙体中无木任木。从墙体上看，经过多次加筑和补修，加筑有施木任木加筑和纯版筑加筑。施木任木加筑层根据木任木截面直径及木任木排列规律来分析，也有早晚之分，这种夹木任木版筑城墙的作法在宋元之际较为流行，而元明时期所筑的张掖城城垣中并不见有木任木者，因此，南城城垣中用栣木加筑部分估计早于元代，纯版筑加筑、加帮部分的夯土层较厚，应为明代所筑。对局部损坏的城墙缺口用土坯补修，以及加筑墙体前用土坯垫平墙头的做法并不多见，从土坯规格看，与张掖城北垣西段加固的土坯相当，土坯之上的夯土层较厚，应该是明代所为。
东南角似有伸出的角墩，全埋于沙丘之中，这种做法为明代风格，其他三角均作扇角形。西南角、西北角内有加筑的墩台，掩埋于沙中。东北角内筑有巨墩，下半部分被沙土掩埋，露出部分高约8米，底边长17.5米，台顶边长13.1米，南侧面留有排列整齐的搭架椽孔，共三层，每层相距约2.2米，每层孔距亦为2.2米。墩台夯土层厚度为12厘米～14厘米。南侧正中辟登台洞口，入洞口斜上2米后，左右分叉，转上台顶，近台顶的土层夹有木任木，向四面伸出墩台，台顶四边有围墙，原建有角楼，这种庞大独特的敌角墩台，筑造方法不同于明代土墩，应为西夏至元代所筑。
城内建筑遗址密集，散存着大量的汉代砖块，入门有一条东西向的街道，将城内分为南、北两部分。北部正中有一个坐北面南的高基建筑，从遗址布局来看，由门厅、通道走廊和后院及正堂三部分组成，正堂后壁墙基残存；靠西墙正中亦有高台建筑。1990年，据当地一位年迈老人讲他小时发现这里有壁画。1992年发掘南城时，清理出旧有建筑西、北两段残壁，均有壁画。北壁壁画面积约2平方米，内容为桃园三结义故事，画面以连环画形式描绘，残存4个故事情节：西侧为关公出五关、斩六将故事，刘备手执长剑，乘骑从关门中飞奔而出，关城与山丘之间，关羽、张飞乘骑先后策应，关羽手提大刀，威风凛凛。中间为桃园结义故事，刘备正坐于帷帐之前，身后有两侍从者站立，关羽坐于刘备左侧，张飞坐右侧，关羽右手捻胡须，作沉思状，身后有侍从者牵马站立。帷帐后为刘、关、张三人游览桃园情节。东侧为祭天情节，中置供桌，桌上有三足香炉，炉中插三柱香，香炉两侧放置一对蒜头花瓶，瓶炉之间有一对盘，盘中盛放祭品。供桌前一屠夫蹲于肉俎之后，右手执刀，关羽、张飞站立于屠夫右侧，刘备立于左侧。关、张前有一头黑牛，两力士一拉一赶，牵向屠夫。刘备前站立一匹白马，这就是桃园三兄弟宰乌牛、杀白马祭天的故事。西壁为仕女图，残余下半部，仕女群像北侧画有牢笼，内有鬼怪物，就是关公扬善惩恶、为人间擒鬼捉魔的情节。画面以单线勾勒，平涂填色，皴染山水，线条严谨，情节细腻，色调明朗，人物个性鲜明，动静结合，布局匀称，主题突出，错落有致，杂而不乱。这次清理只限于局部墙壁，未作全面发掘，为了妥善保护该壁画，随后填沙掩埋。这幅壁画为我们研究黑水国提供了珍贵的实物资料。黑水国南城壁画是明代壁画，虽然残损严重，但仍不失其较高的历史、艺术和科学价值。通过壁画内容分析，黑水国南城西垣内侧正中的高台地，其上在元明时期建有关帝庙。这座庙紧靠西垣，垣外有伸出去的短墙，似马面，埋于沙中，不明所用。
南城西南角、西侧、北侧均有大量淤沙，城垣外围东南角及西侧形成大型沙丘，其余墙体外围均有不同程度的积沙。大量的积沙既保护了墙体的完整，也使城内遗址和文物得以在掩埋的状况下保存了下来。
1992年，张掖地区委托甘肃省地矿局物探队对黑水国部分区域进行勘探后，确定在南城东北隅进行试掘，由甘肃省考古研究所马建华和赵雪野两位先生主持。
发掘情况如下：表土厚度30公分～50公分，夹杂大量的汉砖碎块及元明砖块，未发现其他汉代遗物。在探坑北壁处遇到一房屋墙基，并发现较多腐烂的谷物。表土以下为褐红粘土层，厚度30公分～80公分，除墙体基础外，未发现扰动情况，即该层已到原生土层。
在距地表150公分处，出现砖券墓室，经清理后，发掘出陶罐、陶盘、陶案、耳杯、陶尊、陶奁等14件陶器，陶器皆为素灰陶，陶奁和陶罐外壁以红白两色绘成波状或S状图案，为典型的魏晋遗物。墓道以沙土回填，未发现夹杂有砖瓦或陶片等物。墓室以下为砂夹石层，发掘持续到11米深为止。
本次发掘证实：黑水国南城之筑应晚于魏晋。该城为明代驿站的建筑布局依然可辨，是可靠的明代小沙河驿旧址。从史料记载来看，明之小沙河驿、元之西城驿、唐之巩笔驿均在一处，黑水国区域内再找不到似为驿站的遗址。因此，可以推断，黑水国南城即是。也就是说，南城最早筑于唐代，西夏以后修复沿用，明代以后废弃。
