隋唐以来，大同随着封建朝代的更换，又数易其名。
公元５８９年，隋文帝统一中国，结束了近三百年的南北分裂局面。由于文帝父亲名忠，所以避讳“中”字，改云中县为云内县，大同仍称恒安镇，属马邑郡。
６１８年，唐朝建立。唐高祖李渊武德六年（公元６２３年）在此置北恒州。贞观十四年（公元６４０年）改名为定襄县，兼为云州治，至永淳初年被废。开元十八年（公元７３０年）称之为云中县和云州。
唐初北方的少数民族突厥开始兴起，并很快发展成为东起辽东，西至里海，北至贝加尔湖的一支强大的军事力量。他们经常取道大同南下，不断骚扰中原。
公元６２９年，唐太宗任命兵部尚书李靖等分兵六路北击突厥。第二年唐军一路经大同出塞，与李靖会师，消灭突厥军队二十万。此后，大同便一直成为唐代北方的重要军事前哨。唐代著名诗人李贺在他的古诗《平城下》中写道：“饥寒平城下，夜夜守明月。别剑无玉花，海风断鬓发。塞长连白空，遥见汉旗红。青帐吹短笛，烟雾湿画龙。”当时士卒戍守大同的艰苦生活和边塞的军事风貌，读来历历在目。
９０６年中国进入了五代十国的混乱局面。大同仍称云中县，兼云州治。公元９３６年，后唐河东节度使石敬瑭，拜契丹主耶律德光为父，做了儿皇帝，把北方包括大同在内的燕云十六州割让给契丹。
宋、辽、金、元时代，大同开始称作云州，并成为辽金的陪都。后又作为元朝的路治。这时的大同已成为我国北方较为发达的地区之一，而且也是一个多民族聚居的重要城市。
９４７年耶律德光建立大辽国。以临潢府（内蒙古林西）为上京，幽州为南京，辽阳为东京，大定府为中京（内蒙古赤峰南），改云州为西京，并设西京道大同府作为辽的陪都。
９６０年，北宋王朝建立，基本上结束了五代十国的分裂局面。宋王朝为收复燕云十六州以统一中国，曾先后发动了两次较大规模的战争，但都以失败告终。在第二次对辽战争中，宋太宗兵分三路，分别以曹彬、田重进、潘美为东、中、西三路主将，直指幽州。杨业为西路副将，在打下云州（大同）后，由于战局急变，杨业在朔州南陈家峪被俘，绝食而死，其子杨延玉及部将皆战死。这种英勇不屈的精神，为历代所传颂。戏曲中的杨家将金沙滩大战的金沙滩，就在今大同市南几十公里处。北宋末年，宋、金达成协议，大同归宋，遂于宣和五年（公元１１２３年）设为云中府治，并为云中路治，领一府八州。
公元１１１５年，金灭辽建立大金国，迁都燕京，以宋之汴京为南京，大定为北京，辽阳为东京，仍以大同为西京，兼为大同府治和西京路治。在辽、金统治期间，大同为中国北方西部的一个政治、军事中心，也是一座经济相当繁荣的城市。
元代全国开始设省。中央设中书省，全国各地设十一行省。大同则隶属于中书省河东山西道，改西京道大同府为大同路，治所在今大同市，领八州五县。１２７７年，意大利旅行家马可·波罗奉元世祖忽必烈之命，出使南洋诸国，路经大同。他在《马可·波罗游记》中盛赞大同是“一座宏伟而又美丽的城市”，并说“这里的商业相当发达，各样的物品都能制造，尤其是武器和其它军需品更加出名”。
公元１３６８年，朱元璋建立了明朝，大将常遇春经太原打下了大同。明王朝为了维护国家的统一和边境安全，把大同列为全国“九边”之一，并派大将军徐达镇守于此。
为了防范北元残余势力的南下侵略，明王朝又在大同以北整修了长城，构筑了宏赐堡、镇川堡、得胜堡等二十多座屯兵堡和上百个烽火台。不仅如此，朱元璋还在洪武二十四年（公元１３９１年）改封他的第十三子豫王朱桂为代王，坐镇大同（封藩于大同）。此际，大同又开始了大兴土木，兴建和修整寺院庙观和楼阁府邸。当时大同有新旧寺院、尼庵、道观上百座。真可谓是寺庙林立，殿堂壁连，香烟缭绕，经诵不绝，这座古城俨然是佛国胜地。耸立在城东御河东岸高岗上的曹夫楼，也是此时所建。传说明末一位忠直大臣曹某被魏忠贤阉党所害，曹府老仆曹夫护送其女曹玉莲从虎口逃出，投奔大同的公爹李知府而死在途中。戏剧《走雪山》即以此为题材。曹夫楼即为纪念这个忠贞事主的老仆曹夫而建。楼前还建有真武庙一座。
同时，由于大同是蒙古通往晋冀鲁豫的咽喉要道，因而在嘉靖与隆庆年间，曾两度成为贸易城，实行互市，使大同成为蒙古与中原、蒙古与西域地带的贸易集散地。
大同是塞上古城，明王朝有几位皇帝曾慕名来大同饱览壮丽的塞外风光。尤其中传为佳话的有：正德皇帝微服“巡幸”大同，与酒家女李凤姐（也有称李倩倩）夜宿“久盛楼”酒家。从此，该酒楼得名“凤临阁”。后来，这一传说以许多不同的艺术形式来加以表现。如传统剧目《游龙戏凤》、电影《一夜皇后》等。
崇祯十七年（公元１６４４年）二月，李自成率领农民起义军攻下太原后，经宁武关，于三月初一兵临大同城下，明大同总兵姜（王襄）率部投降。李自成进城后，把代王府作为临时指挥部，在大同驻留六天，于三月初六离开大同，经宣化，很快攻下北京，结束了明王朝的统治。
李自成的起义军占领大同两个多月。当起义军退出北京后，满清贵族派恭顺侯吴顺华进攻大同，姜（王襄）难以守城，便又背叛了起义军，杀死起义军驻大同的首领张天琳等，投降了清军，仍任大同总兵。
清朝推行省制。大同为山西省大同府。公元１６４９年，由于姜（王襄）反清失败，大同惨遭清兵“屠城”之灾，使这座曾经一度繁华的城市几乎成为一座空城。
在以后的二百多年间里，大同又陆续重修与新建了楼阁寺观和街道。公元１９００年，八国联军进攻北京，慈禧太后和光绪皇帝逃难去西安，途经大同，在总兵府（今雁北军分区大院）居住，曾登东街太平楼，纵览大同古城。当慈禧看到高大的城墙、城楼、角楼、望楼和清代以前时毁时修的历代寺庵道观、楼阁亭台，以及清代重建的三元宫、龙王庙、圆通寺等上百座丹柱瓦顶、金碧辉煌的建筑，以及井然有序的大街小巷，和繁荣的商业时，不禁大为赞叹说：“大同可为福地宝城”。
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