秦灭六国设平城、班氏，乃有“平城”之名。西汉置平城、班氏、平邑三县，东汉废县后又设郡，三国时期曹操统一北方仍置平城县，属冀州新兴郡。西晋，班氏、平邑并入平城，属并州雁门郡。
公元313年拓跋猗卢定盛乐（今内蒙古和林格尔）为南都，修秦汉旧平城为北都，属代国，后为北魏代都，曾名为万年县，孝文帝拓跋宏迁都洛阳后置恒州治理平城，北魏分裂后属东魏，北齐、北周曾名为北恒州、恒安镇、东州城、云中县，至此有“云中”一称。
隋文帝统一中国置云内县。
唐朝贞观年间置定襄城，后改为云中县、云中郡、云州。
五代时期，为后唐所占，公元936年石敬瑭割让给契丹，改名西京，设西京道大同府，为辽之陪都，辽重熙十三年（1044年）划出“大同县”，从此沿用到今天。
宋设云中府路，金属西京路大同府。
元属中书省河东山西道大同路。
明属山西行中书省，后属山西布政使司大同府。清属山西省布政使司大同府，后属山西省大同府。
民国先后属北路观察使、山西省雁门道，废道后直属山西省。抗战时期，日伪、国民党和我党政权并存，党的政权设东大同，先后属晋察冀边区第二专署、晋冀区专署、北岳专署、雁北专署，曾建立过大阳天、大阳丰等县政府。
1949年5月大同解放，东、西大同县合并，属察哈尔省雁北地区，另成立大同市。
1952年属山西省雁北地区。
1954年与怀仁县合并为大仁县，1958年归属大同市称大郊区， 1960年原大同县划为古城区。
1965年恢复大同县建制，归雁北专署。
1993年7月1日，雁北地区与大同市合并，归属大同市。
1996年6月，成立于1992年的大同县湖东经济技术开发区同大同市经济技术开发区合并，蔚州疃、樊庄两村随之划割。大同县行政中心自古以来一直在市区，1971年迁到西坪镇。