Тайничные водяные ворота расположены к северу от Софийской звонницы в кремлевской стене, в одном из самых низких ее участков. Этот участок древней крепости остается загадочным и малоизученным. Необычная кладка из известнякового камня над воротами с внешней стороны Кремля вызывает предположения о более раннем строительстве, чем конец XV века. А.В. Воробьев и С.Н. Орлов предположили, что здесь могла существовать тринадцатая башня-раскат, но Н.Н. Кузьимна и Л.А. Филиппова с этим не согласны. Письменные источники XVI и XVII веков указывают на наличие только водяных ворот, а археологические раскопки, проведенные С.В. Трояновским в 1995 году, не обнаружили следов башни.

Тайничные ворота представляют собой арочный проем шириной 430 см с двумя боковыми выступами. Кладка над воротами со стороны реки выполнена из серого и бурого известняка и ограничена ровной линией. Исследования 1994 года показали, что проезжая часть ворот, перекрытая арками и сводом, была построена в конце XIX, начале XX века. Над воротами находится просторная сводчатая камера размером 7х3 м, которая была обнажена после обрушения западной части стены в 1911 году, но затем заложена. В 1994 году между воротами и звонницей была обнаружена еще одна сводчатая камера размером 3,6 х 4 м.

Сравнение строительных материалов и техники кладки показывает, что обе камеры и древняя часть звонницы 1439 года относятся к одному строительному периоду, что позволяет предположить более раннее сооружение части крепостной стены с воротами, чем конец XV века.

В настоящее время в обеих камерах нет оконных и дверных проемов, хотя они существовали в середине XVIII века. В.С. Передольский видел их в конце XIX века, перед обрушением западной части стены. Назначение этих камер неизвестно. А.Л. Монгайт, знавший только о верхней камере, предполагал, что в ней в 1551 году был заточен шурин крымского хана. Возможно, камеры использовались как караульные помещения для стрельцов, а в нижней камере первоначально находился тайничный колодец.

В 1638 году около водяных ворот и тайника была построена деревянная крепость с двумя четырехугольными башнями. В 1660 году городок был восстановлен "по старому окладу" вокруг колодца, который был покрыт "тесом с подтески палаткою и около колодеся перила". Возможно, после этого колодец внутри каменного тайника перестал существовать. В XVII веке в башнях Тайничного городка стоял караул из пяти человек, что подчеркивает важность этих ворот для Детинца.

Ранее через водяные ворота проходил крестный ход к реке Волхов для освящения воды Иордань.