Historisch zuverlässige Nachrichten oder bauliche Reste, die eine eindeutige Datierung der Burg Sayn auf dem Kehrberg in die Zeit um 1150 ermöglichen, fehlen. Es ist unklar, ob sich die urkundliche Ersterwähnung der Burg Sayn im Jahre 1152 auf diese Burg auf dem Kehrberg oder auf die nahebei auf einem Bergsporn über dem Brexbachtal gelegene Alte Burg Sayn bezieht. Da diese erste Erwähnung 1152 von der Zerstörung der Burg Sayn im Zuge einer Fehde berichtet, könnte dies immerhin einen Anlass für eine Burgenverlagerung gegeben haben, für die Sayn ein geradezu klassisches Beispiel bietet.

Ein mächtiger Halsgraben trennt die Hauptburg vom östlichen Bergrücken ab. Es lassen sich im Wesentlichen zwei Hauptbauphasen unterscheiden: Die älteste Bauphase stellt die eine Fläche von ca. 110 m x 40 m einnehmende stauferzeitliche Kernburg dar. Hierzu gehören der übereck gestellte, quadratische Bergfried (Höhe 20 m, Seitenlänge 10 m), der sich im Zentrum, aber an die Nordseite gerückt, erhebt und den ursprünglichen Zugang zur Burg über die Nordflanke deckte, die Doppelkapelle im Westteil der Burg, die 1983/84 im Zuge von Sanierungsarbeiten wiederentdeckt wurde, sowie der südliche Abschnitt der schildmauerartig gestalteten Ringmauer an der Ostseite des Berings über dem Halsgraben, die allerdings nur in ihrem südlichen Abschnitt stauferzeitlich ist.
Von dem noch dieser älteren Phase zuzurechnenden Palas (30 m x 10 m) an der Südostseite haben sich nur bescheidene Reste erhalten. Hierzu gehören die Reste einer aufwändigen Fensteranlage mit Doppel- und Dreierarkade unter überfangenden Rundbögen. Die Außenmauer des Palas ist mit der südlichen Ringmauer identisch. Ebenfalls zur stauferzeitlichen Burganlage gehört noch der 25 m tiefe Brunnen im Westteil der Kernburg.
In gotischer Zeit, der zweiten Hauptbauphase, fand eine grundlegende Umgestaltung der Burg statt. Der Ostteil der Kernburg mit einem Hof und dem Palas wurde durch eine schildmauerartige Querverbindung zur gegenüberliegenden Ringmauer abgeriegelt, so dass der Bergfried die Funktion eines Flankenturmes übernahm. Seine östliche Ecke wurde mit dem nördlichen Ringmauerabschnitt verbunden. An der Südflanke der Burg entstand ein 90 m breiter und bis zu 28 m breiter Zwinger mit Schießscharten und runden Flankentürmen.