五代其地为后唐所占，区划未有大的变动。云中县，为云州治，隶属河东道。李克用与契丹耶律阿保机相会于云州东城，易袍马为兄弟，因取“怀想仁人”之义，改名怀仁县；后唐庄宗同光二年（924）析蔚州兴唐县设置广陵县（今广灵县）。后唐庄宗同光三年（925）复以云州为大同军节度。清泰三年（936）叛将河节度使石敬瑭，拜契丹主耶律德光为父，借契丹兵灭后唐，称帝，国号晋。以契丹有助援之功，将燕云十六州割让给契丹。云中判官吴峦“闭门不受契丹命”，修整器械，昼夜守城，坚持了半年之久，“峦求援晋，晋主召峦南归”，云州陷落。至此大同先后被契丹、女真、蒙古统治者统治长达433年，使中原汉族统治从此失去北方屏藩。

辽后晋天福二年（937）辽进占云州。初为大同军节度，重熙十三年（1044）改云州为西京，设西京道大同府，重熙十七年（1048）析云中，置大同县（大同原在内蒙古乌拉特前旗，唐末随沙陀人内徙，遂侨置于此，从此延续不改），为辽之陪都。辽西京道所辖：大同府，治所大同。统2州7县：弘州（河北阳原）、德州（大同西北）、大同县、云中、天成（天镇）、长青（阳高东南）、奉义（怀仁奉义故城）、怀仁、怀安县。蔚州（忠军节度），治蔚州，统灵仙、定安、飞狐、灵丘、广陵。应州（彰国军节度），治金城，统金城，浑源、河阳（山阴）。朔州（顺义军节度），治善阳，统善阳、武州（神池）、宁远（五寨）、马邑、神武（神池东北）。

辽对大同非常重视，派重兵把守，“非亲王不得主之”，“大抵西京，多边防官”，大同为辽之边防要塞。辽西京大同城，是在北魏平城京城故址上建筑加固，“因建西京，敌楼棚橹具广袤二十里”，建四门：东曰迎春，南曰朝阳，西曰定西，北曰拱极。西京设留守司衙，衙南称西省。北门东部为大同府，西部为大同驿。城东北有规模宏大的国子监。西部建同文等宫殿。云冈西建有焦山行宫，乾享四年（982）景宗病逝于此。西北隅有萧太后（燕燕）在西京驻跸的梳妆楼，亦称凤台（遗址在大十字路北，明清时称“凤台晓月”，为大同八景之一）。

清宁八年（1062）建规模宏丽、造型精巧的巨刹华严寺，为辽“奉安诸帝石像、铜像”而建造。还建有湛然观（今太宁观）、思政堂。重建云冈十寺，据《大金西京武周山重修大石窟寺碑》载，“辽重熙十八年（1049）母后重修。天庆十年（1120）赐大字额。咸雍五年（1069）禁山樵牧，又差守巡使寿昌五年（1099）委转运使提点。清宁六年（1060）又委转运使监修。”辽对石窟寺从1049－－1060年连续12年进行了大规模修整。重熙六年（1037）兴建观音堂。被誉为“天下奇观”的应县佛宫寺释迦塔，于清宁二年（1056）兴建，“拔地擎天，乘风步月”。在是虾蟆湾雕建摩崖佛字。此外，在城北辽宣德县（今拒墙南）建有南堂寺；城东涌泉南建涌泉寺，还有龙翔宫。在城西南七峰山丈人峰巅建有禅房寺塔等。西京街衢保持了北魏坊的格局。有舍利坊、仁和坊、里坊等。

宋为路、州、县三级制，全国设15路。宣和五年（1123）预置云中府路，治云中府，统云中及武（神池县）、应、朔、蔚、奉圣（新保安）、归化（呼市）、儒（永宁县），妫（延庆县）等8州与云州合称“山后九州”。为宋金联盟攻辽的预置版图。后金失约，除武、应、朔、蔚诸州于宣和五年（1123）一度归宋，旋为金人所取外，西京仅在雍熙三年（986）云州观察使杨业攻占云州3个月外，再未进入宋之版图。《读史方舆纪要》指出，“石晋归其地于契丹，宋不能复有，遂基靖康之衅。女真之亡辽，蒙古之亡金，皆先下大同，燕京不能复固矣。”

金辽保大二年（1122）金宗翰攻占大同府，仍以大同为西京，改西京道为西京路，府治、县治未变。西京路辖2府、7节镇、8刺郡、39县，9镇。皇统元年（1141）以西京路隶属元帅府，旧置兵马都部署司。天德二年（1150）改置西京路总管府，后更置留守司。置转运使及中都西京路提刑司。大同府辖大同、云中、宣宁（大定八年改宣德为宣宁，在大同西北40公里长城下，新荣区拒墙堡西南）、怀安、天成、白登（阳高县南12公里）、怀仁7县。省奉义县为镇，入大同。金代还设置了节镇：朔州顺义军节度使治善阳，属县有善阳、马邑二县。应州彰国军节度使治金城，属县有金城、山阴、浑源（贞家祜三年升为州）。蔚州忠顺军节度使，治灵仙，属县有灵仙、广灵、灵丘、飞狐、定安。保大二年（1122）金攻打西京时“天兵一鼓，都城四陷，殿阁楼观，俄而灰之”，辽未以来，再罹烽烬，楼阁飞为埃坌，殿堂聚为瓦砾，前日栋宇所仅存者，十不三四”。金占大同后，为医治战争创伤，大兴土木，修城修寺，规模宏大。对云冈石窟进行整修，“委烟火司差夫三千人改拔河道”，南移，以防水浸石佛。重建云冈十寺，“重修灵岩大阁九楹，门楼四所……凡三十楹……又创石垣五百余步”，此次修寺历时三年半，重修华严寺、大普恩寺。天会十五年（1137）诏建太祖庙于西京。金大定五年（1165）在西京营建宫室，有保安殿、御容殿及西京宫苑。并设阁门使，掌管礼仪祭奠。还设有西京宫苑使。辽金时陪都西京再度兴盛于北方，成为中原与北方少数民族交往的中转站，联系各民族的纽带，大同再度辉煌。

1127年农历四月，南宋的钦、徽二帝被金俘虏后，曾被押往西京，后又转至中京。其间，南宋使节多人，被留西京，朱弁、洪皓等忠贯日月，持节不辱，至今留有碑刻墨宝。