Die Anlage besteht aus einer Vor- und einer Hauptburg, die von einer aus lokalem Sandstein errichteten Ringmauer in Zweischalentechnik umgeben wird, an die sich die Burggebäude teilweise anlehnten. Im Süden ist der Burg ein maximal 11,5 m tiefer und 16 m breiter, aus dem anstehenden Fels herausgearbeiteter Graben als Annäherungshindernis vorgelagert, der heute durch eine Aufschüttung Zugang zur Burgruine gewährt. Der ehemalige Zugang lag im Norden der Vorburg am Rand des Steilhangs zur Ruhr.

Diese umfasst neben dem aufgrund des Steinbruchs nur noch halb erhaltenen Torhaus drei weitere Gebäude, die teilweise unterkellert waren und wahrscheinlich als ehemaliger Sitz von Burgmannen zu interpretieren sind. Ein weiteres Gebäude fiel ebenfalls dem Steinabbau zum Opfer. Daneben konnten zwei Öfen zur Eisenaufbereitung nachgewiesen werden.

Die Hauptburg ist von der Vorburg durch eine Mauerfront mit integriertem, repräsentativem Torhaus abgegrenzt, an das sich eine vermutliche Wächterstube anschließt. Diesem ist im Westen zum Burginneren hin ein großes, mindestens zweiteiliges Gebäude mit vermuteter wirtschaftlicher Funktion angeschlossen. Gegenüber diesem Bauwerk befinden sich die Repräsentationsbauten. Es handelt sich um insgesamt vier aneinandergrenzende Räume, bei denen es sich unter anderem um den Palas mit großem Saal und die Burgkapelle handelt. Reste von Bauschmuck zeugen von ihrer ehemals prächtigen Ausstattung. Neben dieser Dreiflügelanlage konnten noch drei weitere Gebäude im Inneren der Hauptburg nachgewiesen werden. Den Südabschluss der Burg Isenberg bildet der mächtige Hauptturm mit bis zu 6,5 m dicken Mauern und einer ehemaligen Höhe von 30 m bis zu 50 m.

Die Grafen von Altena gehörten als Zweig der Grafen von Berg zu den bedeutendsten westfälischen Hochadelsfamilien des ausgehenden 12. Jahrhunderts. Nach Aufteilung der Familienbesitztümer zwischen den beiden Söhnen Friedrich und Arnold von Altena baute letzterer seine Gebiete weiter aus. Zur Sicherung seiner Besitztümer im Bereich Werden, Rellinghausen und Essen begann er schließlich den Bau der Burg Isenberg kurz nach 1193. Vor allem ging es dabei um die Festigung der Kontrolle über die reiche Vogtei Essen.

Nach dem Tod von Arnold gelangte schließlich um 1209 dessen zweitgeborener Sohn Friedrich von Altena, der sich nach seinem 1216/17 fertiggestellten neuen Wohnsitz selbst „Friedrich von Isenberg“ nannte, an die Macht. Zwischen diesem und seinem Großcousin, dem Erzbischof Engelbert von Köln, eskalierte schließlich der Streit um die Essener Vogtei. Dieser gipfelte in der Ermordung von Engelbert bei einer missglückten Gefangennahme im Jahre 1225. Friedrich von Isenberg wurde in der Folge durch den König geächtet und musste fliehen. Der Nachfolger des Engelbert von Köln führte zudem einen großangelegten Rachefeldzug gegen verschiedene westfälische Adelige. In diesem Kontext wurde auch die Burg Isenberg zerstört, die zuvor wahrscheinlich kampflos an den Feind übergeben worden war. Friedrich selbst wurde 1226 gefangen genommen und in Köln hingerichtet.

Sein Nachfolger, Dietrich Graf von Isenberg/Limburg, versuchte sich in den folgenden Jahren zu behaupten, konnte aber sein Geschlecht nie wieder zu neuer Größe und Bedeutung führen.