唐代中叶以后，一直到五代初期，大同称为云中县，为云州治。因“大同军”节度使治设于此，所以其时也叫做“大同军城”。

    ９３６年１１月，后晋石敬瑭为了取得契丹的支持，保住自己的帝位，将燕、云十六州（今河北、山西北部地区）割让给了契丹。从此，大同被划归辽地。辽兴宗重熙十三年（公元１０４４年），将云州升为西京大同府。至此，大同就成为辽代五京（上京临潢府、东京辽阳府、南京幽都府、中京大定府、西京大同府）之一。直至辽亡，历时八十一年。

    辽时的西京是在唐代“大同军”故城的基址上修建起来的。据大同善化寺所存金碑（朱弁碑）和《宋史·朱弁传》推断，其南垣，应在现善化寺的北部；据《辽志》推断，其北垣，当在明清古城的北关一带；据《大同县志》推断，其西垣约位于明清古城的西门之外。全城周长为十公里。四面城墙纯系土夯而成，没有包砖。城墙之上建有许多敌楼和箭楼，守御设施齐全。每面城墙各辟城门一座。东曰迎春门，南曰朝阳门，西曰定西门，北曰拱极门。城内，沿袭唐代故城旧制，是一条条整齐的十字街将居民区划成若干个“坊”。如现在华严寺所处之地，当时叫舍利坊。城的北半部是政治和军事的中心，官衙和军营多建于此。西京留守司兼大同府尹是全城的最高地方行政机构和行政长官，其衙署便建于拱极门之西。与大同府衙遥相对应的大同驿，则建于拱极门之东。辽肖太后曾经居住过的“梳妆楼”屹立于城之西北隅。颇为壮观的辽西京宫殿高耸于城西部。全国的最高学府之一——西京国子监也座落于府治附近的东南方。据《辽史·百官志》称：五京之中，上京是皇都，为朝廷官员和京官所居。而边防官员则大抵住在西京。因此，有许多边防军官的府邸则建于西京城内。如西南路招讨司、西南安抚使司、西南巡察司、山北路都部署司等。这一座座富丽堂煌、金碧辉映的官衙府邸更把全城点缀得格外壮观。

    辽末天祚帝保大二年（公元１１２２年），大同为金兵攻陷。金时，大同仍为西京大同府，为金之五京（上京会宁府、东京辽阳府、北京大定府、西京大同府、南京开封府）之一。

    金代的大同城，其规模和布局与辽时大体相同。只是在金大定五年（公元１１６５年），将城之东、西、南门分别易名为宣仁门、阜成门、奉天门。另见于史籍记载，在城内还营建了保安殿、御容殿和西京宫苑等等。

    辽、金时期，作为陪都的西京大同，不仅是当时西部地区的一个政治、经济、文化中心，而且更是一个重要的军事战略要地，两代统治者都十分重视。《辽史·地理志》讲：“辽既建都（指西京大同），用为重地，非亲王不得主之。”这就是说，整个辽代的大同城都有亲王率重兵在此坐镇，而这些亲王实际上就是大同城的最高长官。金代，仍然如此。如赫赫有名的攻打北宋的宗翰就曾长期驻镇于大同，把大同作为一处重要的军事基地。

    契丹、女真两族都好迷信鬼神，因而辽、金历代皇帝大都崇尚佛教。大同地区本来就是沙门圣地，此时更是如鱼得水，于是又一次掀起了一个大规模的兴建佛寺巨阁的高潮。巍峨雄宏的华严寺，庄严古朴的善化寺，精巧玲珑的观音堂，世界木塔之最的应县释迦木塔等数十座宏伟壮观的寺院建筑，一时都兴建、扩建、整修起来。这些寺院的建筑，为西京大同增添了无比绚丽的色彩。