明洪武二年（1369）左副将军常遇春攻取大同。明行政区划为省、府、州、县四级制，洪武七年（1374）改大同路为大同府，隶属山西行中书省。九年（1376）改为承宣布政使司。大同府治大同县，辖浑源、应、朔、蔚四州，大同、怀仁、马邑、山阴、广灵、灵丘、广昌七县。宣宁县并入大同县。明军事上实行卫所制，洪武四年（1371）置大同都卫沼白关城。洪武八年（1375）改为山西行都指挥使司。洪武二十五年（1392）徙治大同。初领卫二十六，管辖范围：东至北京的居庸关；西起黄河转弯处的偏关，东西延绵千余公里，南北亦有数百公里。其范围之大，实属九边之首。后领卫十四，有大同前卫、后卫、左卫、阳和、天成、威远、平鲁、云川、玉林、镇鲁、高山、宣德、东胜。洪武二十九年（1396）置公守冀北道，驻大同，嘉靖中移驻朔州。永乐六年（1408）置巡抚都御史。永乐七年（1409）置大同镇，设镇守总兵官，为镇之最高指挥官。成化七年（1471）设巡抚。正德八年（1513）设总制，辖13卫所，823堡寨，307座墩台。大同分4道，辖9路，驻军最多时达135778员，战马51654匹。时有“大同士马甲天下”之称。

    清顺治二年（1645）五月，清王派恭顺候吴惟华攻大同，姜襄将驻同农民军将领张天琳等杀死，投降清军。清大同府治大同县，初因明治，领州四县七，隶属山西布政司，后改为山西省。

    顺治五年（1648）姜襄降而复叛。次年，多尔衮亲自督战围城达9个多月，城破后，清军对大同进行了最野蛮的屠城，除杀献姜襄人头的杨震威等23员及其家属外，其他所有官司吏兵民尽行杀戮，并将大同城墙拆去5尺。大同变成一座荒城，大同废，不立官，府移治阳和卫，名阳和府。大同县移治怀仁县西安堡。

直到顺治九年（1652）府县才复还故址，从附近移民逐渐复兴。顺治十三年（1656）裁宣大总督，置山西总督，驻大同。康熙四年（1665）裁总督，并入雁门道。

    雍正四年（1726）于右玉林卫置朔平府并废除明代卫所，改天镇卫为天镇县，阳高卫为阳高县，左云川卫为左云县，右玉林卫为右玉县，平虏卫为平鲁县。大同府治所大同县，辖浑源、应州，大同、怀仁、山阴、阳高、天镇、广灵、灵丘二州七县和丰镇厅。清末大同县辖580村，城东194村，城南177村，城西91村，城北118村。朔平府治所右玉县，辖右玉、左云、平鲁、朔州、马邑。

    民国元年（1912）大同废府留县，大同县属北路观察使。民国2年（1913）5月置雁门道，治大同，辖雁北13县、忻县地区13县，共26县。后晋北镇守使在大同驻扎。民国16年（1927）废道后，大同为县，直属山西省，县辖5个行政区，9街585村。

    抗日战争时期，大同地区行政区划为三种。日伪行政区划：1937年9月13日上午，日本关东军侵占大同城，10月15日成立伪“晋北自治政府”，隶属伪“蒙疆联合委员会”，统辖雁北13县；1939年9月改为伪“晋北政厅”，隶属伪“蒙古联合自治政府”；1943年又改为伪“大同省公署”，隶属伪“蒙古自治邦政府”。大同县划为2街、22个联合村。

    国民党行政区划：1937年9月至1939年12月为山西省每一个行政区和第二行政区。第一行政区治所五台，属县十攻，在大同地区有灵丘、广灵、浑源、应县、山阴、怀仁、大同、阳高、天镇9县。第二行政区治所岢岚，属县十三，在大同地区的有朔县，平鲁、左云、右玉4县。