后唐时仍为云州大同军治。是时契丹在北方兴起。公元936年（后唐废帝清泰三年）,后唐河东节度使石敬塘，为当“儿皇帝”，以自己四十五岁的年龄拜三十四岁的契丹主耶律德光做父亲,把幽云十六州割给契丹，使长城一线大同等战略据点全部丧失。从此契丹取得了南下的根据地，赵宋始终未能拥有其地。耶律德光于947年建国号大辽，改元大同。诏以皇都临潢府（内蒙林西县）为上京，升幽州为南京，定辽阳为东京，后以大定府（内蒙赤峰南）为中京。到公元1044年（兴宗重熙十三年）改大同军为西京；1044年置大同府，析云州置大同县为府治。这就是辽之五京。
《辽史 地理志》有：“重熙十三年升为西京府大同，大同县本大同川地”，因此有人以为“大同”之名是由大同川而来。然据唐书：“中受降城（今五原）西二百里大同川有天德军，大同川之西有天安军，皆天宝十三年置，天德军乾元后徒屯永济栅，故大同城也。”这是辽史所本，但唐永济栅也叫永清栅，即今乌拉特旗西北，距今大同地七百余里，大同川与大同县无关。金时，在1158年（真元元年）迁都燕京后，以宋的汴京为南京、大定为北京、辽阳为东京，仍以大同为西京，县治未改。辽世重佛教，营僧寺、刊经藏、不遗余力。《山西通志》引《辽志》记有“清宁八年建华严寺奉安诸帝石象”，此是否包有今大同西门内一巷相隔的上、下两华寺，还须考虑。仅知这两寺最主要的建筑，下寺的薄伽教藏已证实为辽重熙七年(宋仁宗宝元元年，公元1038年）,比大同市内其他各木构建筑年代都早，殿内所塑大小佛像、菩萨、金刚三十一尊，皆为辽代原塑，殿内墙壁上，排列教藏三十多间，仿重楼式建筑，天空楼阁，飞越相连，雕制精美，是我国现存留的最完整最古老的教藏。上寺的大雄宝殿，建于金天眷三年（宋高宗绍兴十年、公元1140年）。殿广九间深五间，规模宏大，形制古朴，雄伟惊人，为国内现有最大佛殿之一（仅有辽宁义县奉国寺的规模与之相仿）。市南门内的善化寺，原为唐时所建，名开元寺。后晋初改为大普恩寺，辽金二代沿用未改，明时正就年间始改名为善化寺。现在寺内主要建筑物山门、三圣殿、普贤阁、大雄宝殿皆为辽金遗物。举世驰名的云冈石窟在历史上也惟有辽金两代修理经营过于其他朝代。据近人考断，辽时石佛造像的区域，东可达武州川出山塞口的“佛字湾”一带。“佛字湾”的得名是由于岩壁上有直径丈余的摩崖大“佛”字；就字体风格而言，可能为辽金时代的凿刻（见雁北文物勘查团报告云冈一带勘查記）。更据府志县志所记“佛字湾”一带过去曾存在过不只一座的辽金旧刹，都是在清顺治六年（公元1649年）姜瓖事变中毁掉了。现在仅存的观音堂，是在辽金时代旧址上顺治八年总督佟养量重建的（有碑记存于寺院）。庙前有三彩琉璃所制的三龙壁，色调和作风与城内的九龙壁相近，大概是明永乐时的遗
物。
