自晋元帝建武元年（317）至宋太祖建隆元年（960），其间644年，北京曾先后三次成为都城。
    东晋政权偏安南方，北方出现了由匈奴、鲜卑、羯、氐、羌等少数民族统治者建立的政权，史称“五胡十六国”。前燕主慕容俊建都龙城（今辽宁朝阳），他于后赵永宁元年（350），率兵攻破蓟城。慕容俊于元玺元年（352）即皇帝位，以蓟城为国都，以龙城为陪都，但慕容俊于光寿元年（357）自蓟迁都邺，蓟城作为前燕国都，仅只6年，是北京史上少数民族初次在北京建都。
    北魏统一中国北方后，燕郡属幽州，州、郡治所均在蓟城。太平真君七年（446），发幽州等地10万人筑畿上塞围，东起上谷，西至黄河，广袤千里。其时佛教大兴，今海淀区温泉西车儿营村的石佛像，即为太和十三年（489）所雕，通高2.2米，是北京现存最古的石雕佛像。
    隋文帝统一中国后，废燕郡存幽州，大兴初年又改幽州为涿郡，均治蓟城。隋朝开通京杭运河，刻房山石经，对北京的物质与文化建设，都有重大的意义。隋代运河以洛阳为中心，西至长安，南通余杭（今杭州），北达蓟城。特别是京杭大运河，自余杭至蓟城，全长近2000公里，历时6年多竣工。隋炀帝用兵辽东，就以蓟城为转运站。隋代刻经，始自静琬，后历唐、辽、金、元、明，共刻佛经1100多种，3500余卷，15000余石，并有碑刻与题记共6800余条。
    唐兴隋亡，控制涿郡、自称幽州总管的隋将罗艺归于唐。唐改涿郡为幽州，仍治蓟城（又称幽州城）。幽州城南北9里，东西7里，周长32里（约相当于今25里）。它的东城墙在今宣武门内外大街西侧，南城墙在今白纸坊街至姚家井一带，西城墙在今莲花池东岸，北城墙在今新文化街一线稍南，四城共有十门。子城位于大城的西南部。 贞观十九年（645），唐太宗用兵辽东，往返都经过蓟城。为追念死亡将士，下诏在蓟城修建佛寺。寺在武则天万岁通天元年（696）建成，赐名悯忠寺。清雍正十二年（1734）修葺时改名法源寺。它是北京城区内现存历史最久的名刹，还是唐代东北商业重邑。据《房山石经题记汇编》统计，有米行、肉行、绡行、靴行等31种行会。 唐天宝元年（742），幽州改称为范阳郡，仍设治蓟城。兼领范阳、平卢（治所在今辽宁朝阳）、河东（治所在今山西太原）三镇节度使的安禄山，在蓟城北面另筑雄武城，峙兵积谷。他于天宝十四年（755）起兵蓟城，后攻占洛阳。翌年，安禄山自称皇帝，国号大燕，年号圣武，封王置相，以范阳（幽州）为大都。这是北京称大都之始。后发生内讧，被其子庆绪所杀；庆绪又为部将史思明所杀。史思明后来也自称大燕皇帝，并以范阳为燕京，是为北京正式称燕京之始。唐平定安史之乱后，改范阳郡为幽州。 唐亡之后，出现五代十国的分裂局面。五代时，后梁初，曾任唐幽州卢龙军节度使的刘仁恭，占据燕地，驻军幽州。其子守光囚父杀兄，于乾化元年（911），自号大燕皇帝，改元应天，置相设官，以蓟为京，三年而亡。