夏商周及春秋时代为北狄和楼烦所居。
赵武灵王胡服骑射，于公元前300年（赵武灵王二十六年）置云中、雁门、代郡，派名将李牧守卫，为赵国北部重地，大同城始建制。
秦代属雁门郡，秦大将蒙恬率兵30万北击匈奴，征集民众在城西十里河谷筑城以备胡。
西汉时置平城县，属雁门郡。汉高祖元年（前201年）封此为代国，先后派兄弟和儿子镇守。王莽时改为平顺县，属并州填狄郡。
东汉时称平城县，属雁门郡。汉灵帝末年，匈奴入侵，建安二十年（215年）曹操平定代地，安集民众，平城县易地为今代县东。
晋代时鲜卑人拓拔猗卢封为代公，建兴元年（313年）修平城为南都，平城复还故治，属代国。
北魏时，拓跋珪于公元398年迁都平城，改元天兴，置司州，治平城。北魏在大同城区建都97年，历经六变七世，平城为北方政治、经济、文化中心。太和十八年（494年）迁都洛阳后，置恒州，治平城。
北齐天保七年（556年）改恒州为恒安镇，隶属恒州太平县。
北周建德六年（577年）改太平县为云中县，恒安镇隶属云中县。
隋开皇元年（581年）改云中县为云内县，恒安镇隶属云内县。
唐咸通一年（869年）置大同军节度使。
五代时期，清泰三年（936年）石敬瑭将燕云十六州割让给契丹，云州在内。
辽重熙十三年（1044年）改云州为西京，设西京道，置大同府，大同城始得其名。
宋宣和五年（1123年）置云中府路，治云中府。
辽保大二年（1122年）金占大同，改西京为西京路，府治、县治不变。
元金贞佑三年（1215年）元攻占大同，初为西京。至元二十五年（1288年）改大同府为大同路，隶属中书省河东山西道，大同始属山西管理。
明洪武二年（1369年）明攻占大同，洪武五年（1372年）建大同城池。洪武七年改大同路为大同府，大同为九边重镇之一。驻军达13万。
清朝设大同府，治大同县，隶属山西省。顺治六年（1649年）因姜壤之变，大同府移治阳高卫，名阳和府，顺治九年（1652）还故治。
民国元年（1912年）大同废府留县，民国二年（1913年）置雁门道，治大同，民国十六（1927年）年废道后，属山西省。
民国二十六年（1937年9月13日）日军入侵大同，10月15日成立“晋北自治政府”，属伪蒙疆联合委员会，民国二十八年（1939年）改为“晋北政厅”，属伪蒙古联合自治政府，民国三十二年（1943年）改为“大同省公署”。日本投降后，为国民党政府第二战区司令部大同领导组管理，民国三十六年（1947年）为第十行政督察专员公署管理。
1949年5月1日大同解放后，改县为市，属察哈尔省领导。城内设一区，二区，三区和四区，并成立区政府，后改为区公所。同年7月28日，大同市部分农村归城内一、二区。同年8月19日又将周家店划归四区。
1950年3月，城区四个区改为三个区。一区管城内东北隅和北关地区，二区管城内西北隅、西南隅地区，三区管东南隅、东关和南关地区。1952撤消三区，城内只设两个区：一区辖东北隅、北关、西北隅；二区东南隅、西南隅、东关、南关，区公所改为区人民政府。同年10月撤消察哈尔省建制，大同市城区隶属山西省管辖。
1954年2月，城内一、二区合并成立大同市市区，随后改为城区。
1960年成立人民公社，下设的8个街道改为分社。
1967年3月成立革命委员会，复设10个街道。
1979年12月恢复城区人民政府。
1985年底辖街道10个，社区206个。
1986年南关街道分出部分辖地，成立了向阳里街道。
1989年，新建路街道分成新建南路办事处和新建北路办事处。北关街道分为北关街道和新华街街道。共有街道13个，居委会268个，街巷567条。
1992年3月14日，居委会调整为112个，新建26个。
1997年，新建南路分出部分街巷成立振华街办事处，社区共309个，街巷839个。
2000年新编社区108个。
2012年新编社区11个。
至2014年，城区共有社区119个。