元时、以大同县属大同路，1265年（至元二年）将云中县并入大同县，至元十九年以孛罗帖木儿移置大同，置大都督兵农司。
1369年（明洪武二年）明副将军常遇春率郭英、汤和、耿炳文、汪兴祖、郭子兴攻大同，元右丞相扩廓帖木儿奔甘肃，守将竹真弃城遁走。明代仍为大同府治。城、是洪武五年大将军徐达依旧址所建，周十三里，高四丈二尺，门四，东名和阳、南名永泰、西名清远、北名武定（解放后因交通关系，拆去四牌楼。仍用和阳、永泰、清远、武定标四街之名）各门之上都建有城楼，诸楼平面均为凸字形，后部广五间，其前突出部分广三间，全部周以回廓；屋顶前后两卷相连，均为九脊顶，古朴雄伟，“为现存明代木构之最古者”(《中国营造学社汇刊》四卷三四期）。后仅南门城楼尚存，惜亦残破不堪，但仍不失为研究明初木构建筑的宝贵材料。
1392年（洪武廿五年）为防御蒙古势力南下，遂改简王朱桂为代王，建代王藩于大同。朱桂乃朱元璋的庶出第十三子。
今市内东街名胜古迹——九龙壁，即为明代王府前的照壁。壁通高八公尺，通长四十五公尺，原厚二公尺。下部为须弥座、壁身以琉璃砖雕刻成九条大龙，飞舞在波涛云气之间。神情雄健，栩栩如生，大似北京故宫北海的九龙壁，而规摸、生动有过之而无不及。实为难得之珍品，现已拆迁，整饬一新。
近人著述中有误以今城内之皇城、后宰门、帅府街、都司街，城外之御河是和北魏建都有关者。实不知在北魏孝昌乱后，恒州以北尽为丘墟，况九龙壁正对着皇城街，若以第五龙的中心点为中轴线的一点，实为皇城街的中线，在皇城街的尽口处，即为正殿。今虽宫邸片耳无存，然建筑情况还可辨识。再如御河，北魏时是叫如浑水，明时，始称御河。特别如都司一职，北魏并未设置过，乃明时的都指掉使的简称。其他如今市内街有名东西华门、户部角、翠花宫等，全与北魏无关。
永乐时，为防御蒙古势力的卷土重来，屡修长城，更在东起鸭绿江，西到嘉峪关分段守御，设为“九镇”（亦名“九边”）。大同居边隅之要冲，设置了大同镇。镇治大同府。所辖边墙实长六百四十七里，就是现山西边外的长城。1449年（明英宗正统十四年）明英宗在太监王振挟持之下，亲征至大同，酿成的“土木堡之变”，将以大同犄角之势不失，发挥了屏障京师的作用，所以当时有“大同士马甲天下”之称。
1644年（崇祯十七年）李自成北上大军破宁武关后，直逼大同城。明总兵姜，由于兵民所迫，开门欢迎闯王。大军入城后，市容井然，闯王杀了代王朱桂十世孙朱传齌及其宗室等寄生虫。留部将张天琳镇守。
清时，为雁北道、大同府府治。
民国元年，取消府制，县名不改，为山西雁门道道治。国民政府成立后，1927年废道，直属山西省政府。其间于1925年、1927年国（国民军）奉战争与晋奉战争，都以大同为争夺目标，战斗激烈，自今城墙上还存有当年的创痕。
