Chúa Nguyễn trong công cuộc mở nước xuống cõi Nam vẫn phải tập trung quân lực để chống trả những đợt tấn công và tranh giành ảnh hưởng với họ Trịnh ở bắc sông Gianh. Từ những ngày đầu của cuộc phân tranh Trịnh – Nguyễn, có thời điểm quân Trịnh đã dốc sức tiến sâu vào đến sông Nhật Lệ (cách sông Gianh khoảng 50 km dọc bờ biển) gây ra mối lo ngại thường trực cho triều đình chúa Nguyễn. Nếu để tình thế ấy kéo dài, Đàng Trong sẽ phải quy phục Đàng Ngoài một sớm một chiều. Nhằm bảo vệ cơ đồ, chúa Nguyễn đã giao cho Đào Duy Từ tiếp quản xây dựng hệ thống thành lũy bề thế và hữu ích.
Năm Tân Hợi (1631), Tổng công trình sư Đào Duy Từ đã chính thức cho người khởi công đào đắp hệ thống Lũy Thầy và hoàn thành sau 3 năm, bắt đầu từ núi Đầu Mâu (nay ở làng Lệ Kỳ, xã Vĩnh Ninh, huyện Quảng Ninh) và kết thúc ở cửa biển Nhật Lệ (Đồng Hới). Lũy Thầy có tổng chiều dài khoảng 34 km, chiều cao thành lũy thường 12 mét, có đoạn chỉ 3 – 6 mét tùy theo địa hình và dụng ý sử dụng. Bề mặt đỉnh lũy luôn rộng rãi, người hay cả voi, ngựa có thể dễ dàng đi lại trên đó. Cứ mỗi đoạn 40 thước lại xây một pháo đài, đặt súng Thần công án ngự.