从城西青磁窑村获得大量的打制石器及一批哺乳动物化石证明大同城区在旧石器晚期和新石器时代已是人类的聚居地。

夏商周及春秋时代为北狄和楼烦所居。

赵武灵王胡服骑射，于公元前300年（赵武灵王二十六年）置云中、雁门、代郡，派名将李牧守卫，为赵国北部重地，大同城始建制。

秦代属雁门郡，秦大将蒙恬率兵30万北击匈奴，征集民众在城西十里河谷筑城以备胡。

西汉时置平城县，属雁门郡。汉高祖元年（前201年）封此为代国，先后派兄弟和儿子镇守。王莽时改为平顺县，属并州填狄郡。

东汉时称平城县，属雁门郡。汉灵帝末年，匈奴入侵，建安二十年（215年）曹操平定代地，安集民众，平城县易地为今代县东。

晋代时鲜卑人拓拔猗卢封为代公，建兴元年（313年）修平城为南都，平城复还故治，属代国。

北魏时，拓跋珪于公元398年迁都平城，改元天兴，置司州，治平城。北魏在大同城区建都97年，历经六变七世，平城为北方政治、经济、文化中心。太和十八年（494年）迁都洛阳后，置恒州，治平城。

北齐天保七年（556年）改恒州为恒安镇，隶属恒州太平县。

北周建德六年（577年）改太平县为云中县，恒安镇隶属云中县。

隋开皇元年（581年）改云中县为云内县，恒安镇隶属云内县。

唐咸通一年（869年）置大同军节度使。

五代时期，清泰三年（936年）石敬瑭将燕云十六州割让给契丹，云州在内。

辽重熙十三年（1044年）改云州为西京，设西京道，置大同府，大同城始得其名。

宋宣和五年（1123年）置云中府路，治云中府。

辽保大二年（1122年）金占大同，改西京为西京路，府治、县治不变。

元金贞佑三年（1215年）元攻占大同，初为西京。至元二十五年（1288年）改大同府为大同路，隶属中书省河东山西道，大同始属山西管理。

明洪武二年（1369年）明攻占大同，洪武五年（1372年）建大同城池。洪武七年改大同路为大同府，大同为九边重镇之一。驻军达13万。

清朝设大同府，治大同县，隶属山西省。顺治六年（1649年）因姜壤之变，大同府移治阳高卫，名阳和府，顺治九年（1652）还故治。

民国元年（1912年）大同废府留县，民国二年（1913年）置雁门道，治大同，民国十六（1927年）年废道后，属山西省。

民国二十六年（1937年9月13日）日军入侵大同，10月15日成立“晋北自治政府”，属伪蒙疆联合委员会，民国二十八年（1939年）改为“晋北政厅”，属伪蒙古联合自治政府，民国三十二年（1943年）改为“大同省公署”。日本投降后，为国民党政府第二战区司令部大同领导组管理，民国三十六年（1947年）为第十行政督察专员公署管理。

1949年5月1日大同解放后，改县为市，属察哈尔省领导。城内设一区，二区，三区和四区，并成立区政府，后改为区公所。同年7月28日，大同市部分农村归城内一、二区。同年8月19日又将周家店划归四区。

1950年3月，城区四个区改为三个区。一区管城内东北隅和北关地区，二区管城内西北隅、西南隅地区，三区管东南隅、东关和南关地区。1952撤消三区，城内只设两个区：一区辖东北隅、北关、西北隅；二区东南隅、西南隅、东关、南关，区公所改为区人民政府。同年10月撤消察哈尔省建制，大同市城区隶属山西省管辖。

1954年2月，城内一、二区合并成立大同市市区，随后改为城区。

1960年成立人民公社，下设的8个街道改为分社。

1967年3月成立革命委员会，复设10个街道。

1979年12月恢复城区人民政府。

1985年底辖街道10个，社区206个。

1986年南关街道分出部分辖地，成立了向阳里街道。

1989年，新建路街道分成新建南路办事处和新建北路办事处。北关街道分为北关街道和新华街街道。共有街道13个，居委会268个，街巷567条。

1992年3月14日，居委会调整为112个，新建26个。

1997年，新建南路分出部分街巷成立振华街办事处，社区共309个，街巷839个。

2000年新编社区108个。

2012年新编社区11个。

至2014年，城区共有社区119个。