北京的中轴线历史可以追溯到元朝，元世祖忽必烈弃金中都，在其东北方择址建设元朝国都--元大都，即明清北京城的前身，这时中轴线长3.7公里。明朝初年，大将军徐达将元大都北城墙拆掉南移，东、西、南仍沿用大都城墙，中轴线长4.78公里。到了明朝永乐年间，沿用了元大都的城市中轴线，并修建紫禁城，开始营建皇城，又将元大都南城墙向南推2里，至此，形成明北京内城。明嘉靖年间，为加强京城的护卫安全，开始增建北京外城。清朝定都北京之后，没有做大的改动，只是沿袭明代格局，这时的中轴线长7.86公里

上世纪九十年代，北京为连接城市中心和亚运村，在二环路钟鼓楼桥引出鼓楼外大街，向北至三环后改名为北辰路，这条路成为北京中轴线的延伸，西边建造中华民族园，东边则是国家奥林匹克体育中心。北京申奥成功后，中轴线再次向北延长，成为奥林匹克公园的轴线。东边建造国家体育场(鸟巢)，西边则是国家游泳中心(水立方)。再向北，穿过奥林匹克公园，到达奥林匹克森林公园，该公园中间的仰山、奥海均在中轴线上。

北京的南北中轴线是世界城市史上极为罕见的一条建筑艺术轴线，但中国测绘科学研究院的退休老人夔中羽经过认真测量研究发现:北京南北中轴线居然不是正南正北的。