唐初依隋实行州县制。武德四年（621）平利武周，复于故恒安镇置北恒州。武德六年（623）于雁门郡之灵丘别置蔚州。武德七年（624）北恒州废。贞观元年（627）发天下为13道，云、蔚、朔等州属河东道。云州治云中，辖县云中。蔚州治兴唐，辖兴唐，飞狐、灵丘。朔州治善无，辖善阳、马邑。唐末，以浑源川为名，置浑源州；以雁门山、龙首山南北呼应为名，置应州。贞观十四年（640）于故云内县置定襄县，兼云州治。龙朔三年（663）置云中都护府。永淳元年（682）为东突厥默啜所破，州县俱废，移百姓于朔州。开元十八年（730）复置县，改定襄为云中县。废北恒州为东州城，复置云州。天宝元年（742）改云州为云中郡。乾元元年（758）改云中郡为云州会昌三年（843）以云、蔚诸州为大同道，罢属河东，置都团练使，治云州。咸通十年（869）置大同军节度。中和二年（882）改大同节度为雁门节度。四年（884）云州复隶河东道。唐至德以后，中原运兵刺史皆管军戎，大同防御使由云州刺史领管，辖云、蔚、朔三州。唐末云州地区成为沙陀部和吐谷浑赫连铎部争夺的主要地带。也是李克用父子发迹之地。乾符三年（876）大同军节度使李国昌子克用为云中守捉使，杀防御使，据州以闻。僖宗赦克用，以国昌为大同军防御使，不受命。广明元年（880）李琢攻国昌，国昌兵败，与克用奔北地。共巢入京师，诏发代北军，寻赦国昌，使讨赋，克用率三万五千骑而南，收京师功第一，国昌封陇西郡王。国昌卒，克用取云州。唐末封建割据，云州陷入长期战争中，后李克用子李存勖灭梁，是为唐庄宗。五代其地为后唐所占，区划未有大的变动。云中县，为云州治，隶属河东道。李克用与契丹耶律阿保机相会于云州东城，易袍马为兄弟，因取“怀想仁人”之义，改名怀仁县；后唐庄宗同光二年（924）析蔚州兴唐县设置广陵县（今广灵县）。后唐庄宗同光三年（925）复以云州为大同军节度。清泰三年（936）叛将河节度使石敬瑭，拜契丹主耶律德光为父，借契丹兵灭后唐，称帝，国号晋。以契丹有助援之功，将燕云十六州割让给契丹。云中判官司吴峦“闭门不受契丹命”，修整器械，昼夜守城，坚持了半年之久，“峦求援晋，晋主召峦南归”，云州陷落。至此大同先后被契丹、女真、蒙古统治者统治长达433年，使中原汉族统治从此失去北方屏藩。 辽后晋天福二年（937）辽进占云州。初为大同军节度，重熙十三年（1044）改云州为西京，设西京道大同府，重熙十七年（1048）析云中，置大同县，为辽之陪都。辽西京道所辖：大同府，治所大同。统2州7县：弘州、德州、大同县、云中、天成、长青、奉义、怀仁、怀安县。蔚州，治蔚州，统灵仙、定安、飞狐、灵丘、广陵。应州，治金城，统金城，浑源、河阳。朔州，治善阳，统善阳、武州、宁远、马邑、神武。
宋为路、州、县三级制，全国设15路。宣和五年（1123）预置云中府路，治云中府，统云中及武、应、朔、蔚、奉圣、归化、儒，妫等8州与云州合称“山后九州”。为宋金联盟攻辽的预置版图。后金失约，除武、应、朔、蔚诸州于宣和五年（1123）一度归宋，旋为金人所取外，西京仅在雍熙三年（986）云州观察使杨业攻占云州3个月外，再未进入宋之版图。《读史方舆纪要》指出，“石晋归其地于契丹，宋不能复有，遂基靖康之衅。女真之亡辽，蒙古之亡金，皆先下大同，燕京不能复固矣。” 金辽保大二年（1122）金宗翰攻占大同府，仍以大同为西京，改西京道为西京路，府治、县治未变。西京路辖2府、7节镇、8刺郡、39县，9镇。皇统元年（1141）以西京路隶属元帅府，旧置兵马都部署司。天德二年（1150）改置西京路总管府，后更置留守司。置转运使及中都西京路提刑司。大同府辖大同、云中、宣宁、怀安、天成、白登、怀仁7县。省奉义县为镇，入大同。保大二年（1122）金攻打西京时“天兵一鼓，都城四陷，殿阁楼观，俄而灰之”，辽未以来，再罹烽烬，楼阁飞为埃坌，殿堂聚为瓦砾，栋宇所仅存者，十不三四”。金占大同后，为医治战争创伤，大兴土木，修城修寺，规模宏大。经过修整加固的大同城汉池，南门改称奉天，东门改称宣仁，西门改称阜成。对云冈石窟进行整修，“委烟火司差夫三千人改拔河道”，南移，以防水浸石佛。重建云冈十寺，“重修灵岩大阁九楹，门楼四所……凡三十楹……又创石垣五百余步”，此次修寺历时三年半，重修华严寺、大普恩寺。天会十五年（1137）诏建太祖庙于西京。金大定五年（1165）在西京营建宫室，有保安殿、御容殿及西京宫苑。并设阁门使，掌管礼仪祭奠。还设有西京宫苑使。辽金时陪都西京再度兴盛于北方，成为中原与北方少数民族交往的中转站，联系各民族的纽带，大同再度辉煌。元初大同仍称西京。太祖七年（1212）置警巡院。至元二年（1265）省云中县入大同。元划为省、路、府（州）县四级制，至元二十五年（1288）改西京道大同府为大同路，隶属中书省河东山西道宣慰使司，管辖一领事八州。一领事是录事司，设在大同。属县有大同、白登、宣宁、平地、怀仁五县。八州为弘、浑源、应、朔、武、丰、东胜、云内。上都路管辖今大同和河北部分地区。顺宁府治所蔚州，领灵仙、飞狐、定安、灵丘，广灵。元改天城为天城县，隶属宣德府。后隶属兴和路。大德四年（1300）在西京黄花岭立屯田。六年（1302）立万户府。 明洪武二年（1369）左副将军常遇春攻取大同。明行政区划为省、府、州、县四级制，洪武七年（1374）改大同路为大同府，隶属山西行中书省。九年（1376）改为承宣布政使司。大同府治大同县，辖浑源、应、朔、蔚四州，大同、怀仁、马邑、山阴、广灵、灵丘、广昌七县。宣宁县并入大同县。明军事上实行卫所制，洪武四年（1371）置大同都卫沼白关城。洪武八年（1375）改为山西行都指挥使司。洪武二十五年（1392）徙治大同。初领卫二十六，管辖范围：东至北京的居庸关；西起黄河转弯处的偏关，东西延绵千余公里，南北亦有数百公里。其范围之大，实属九边之首。后领卫十四，有大同前卫、后卫、左卫、阳和、天成、威远、平鲁、云川、玉林、镇鲁、高山、宣德、东胜。洪武二十九年（1396）置公守冀北道，驻大同，嘉靖中移驻朔州。永乐六年（1408）置巡抚都御史。永乐七年（1409）置大同镇，设镇守总兵官，为镇之最高指挥官。成化七年（1471）设巡抚。正德八年（1513）设总制，辖13卫所，823堡寨，307座墩台。大同分4道，辖9路，驻军最多时达135778员，战马51654匹。时有“大同士马甲天下”之称。
清顺治二年（1645）五月，清王派恭顺候吴惟华攻大同，姜襄将驻同农民军将领张天琳等杀死，投降清军。清大同府治大同县，初因明治，领州四县七，隶属山西布政司，后改为山西省。顺治五年（1648）姜襄降而复叛。次年，多尔衮亲自督战围城达9个多月，城破后，清军对大同进行了最野蛮的屠城，除杀献姜襄人头的杨震威等23员及其家属外，其他所有官司吏兵民尽行杀戮，并将大同城墙拆去5尺。大同变成一座荒城，大同废，不立官，府移治阳和卫，名阳和府。大同县移治怀仁县西安堡。直到顺治九年（1652）府县才复还故址，从附近移民逐渐复兴。顺治十三年（1656）裁宣大总督，置山西总督，驻大同。康熙四年（1665）裁总督，并入雁门道。雍正四年（1726）于右玉林卫置朔平府并废除明代卫所，改天镇卫为天镇县，阳高卫为阳高县，左云川卫为左云县，右玉林卫为右玉县，平虏卫为平鲁县。大同府治所大同县，辖浑源、应州，大同、怀仁、山阴、阳高、天镇、广灵、灵丘二州七县和丰镇厅。清末大同县辖580村，城东194村，城南177村，城西91村，城北118村。朔平府治所右玉县，辖右玉、左云、平鲁、朔州、马邑。