秦国灭燕的次年（公元前221年），又挥师灭掉东方的齐国，完成了一统天下的霸业，建立了封建专制主义中央集权的国家——秦朝。蓟城的地位也从诸侯国的政治、经济中心变成了统一的中原王朝控制下的北方军事重镇。从秦到五代，在中国封建社会的前期，蓟城地区的历史主要围绕着中原王朝经略北方少数民族以及中央政权与蓟城地方割据势力较量两个主题展开。在这一过程中，蓟城战略地位和交通枢纽的作用更显突出，并逐渐发展成为中国北部地区多民族共居的中心城市。
对于统一的封建专制主义中央集权的秦朝来说，旧燕地是远离秦都咸阳的北方边远地区，其地理位置处于中原汉族与北方少数民族交接地带，这里无疑是秦帝国抵御少数民族南下，并向北方开拓的前沿阵地。因此，秦王朝采取几项措施加强对燕地的控制。
设置广阳郡。灭掉六国后，秦始皇为了防止六国的旧贵族复辟，不但把他们迁徙到关中、巴蜀等地管理起来，而且在六国旧都城处大都设置了郡，如赵都邯郸设邯郸郡，齐都临淄设齐郡等。广阳郡的设置显然也是为了控制旧燕地的核心地区。
拆除燕国的南长城。南长城又称易水长城，其走向基本上是沿易水东西伸延，恰好阻隔了燕地与中原地区的联系。拆除易水长城，就使得旧燕地与整个华北大平原乃至关中地区连通起来。
修筑驰道。秦始皇为了加强对各地的控制，自统一后的第二年（公元前220年）起，就以咸阳为中心，陆续修筑通往全图各地的驰道，史料记载：秦驰道“东穷燕、齐，南极吴、楚，江湖之上，濒海之观毕至。道广五十步，三丈而树，厚筑其外，隐以金椎，树以青松。”向东一条经函谷关到三川郡（治所在今洛阳），东北向至邺县（今河北临漳县西南）达于邯郸，向北直到蓟城。又以蓟城为中心，向东经渔阳地区到达碣石（今秦皇岛、北戴河地区）；向西北经军都县过居庸关到达云中和上郡（今内蒙古和陕北地区）。从而使得蓟城更成为南达中原，西连云朔，北接蒙古高原的枢纽。这对蓟城以后的经济发展和文化交流带来了深远影响，也确定了蓟城作为中原封建国家北方重要边城的地位和作用。
驰道修通后，秦始皇曾五次沿驰道巡游各地。公元前215年（秦始皇三十二年），始皇第四次出巡，向北到达燕蓟地区，曾到过蓟城，以后经无终，到达碣石。
秦朝时期，边患主要来自西北的羌族和北部的匈奴族。尤其是匈奴族，自战国后期逐渐强大起来，到了秦代，向南已越过阴山，侵入黄河以南地区，对秦朝构成了极大威胁。公元前215年，秦始皇派将军蒙恬率30万大军北击匈奴，将其逐回河套以北。为了巩固边防，次年，由蒙恬督率军士把原来秦、赵、燕三国的北长城重新修整连接起来，“因地形，用险制塞。起临洮，至辽东，延袤万余里”，修筑起著名的万里长城。秦长城穿越了蓟城以北的上谷、渔阳两郡，“居庸”之名，有一种说法认为是由于秦代有大批服役筑长城的“庸徒”居息于此而得。
西汉初年，匈奴族通过“东击东胡”，征服了乌桓、鲜卑等民族，势力再次强大起来。以后就不断南下，袭扰劫掠西汉政权的北部边郡，蓟城地区往往首当其冲。
西汉政府为了加强对北方地区的防御，继续修缮长城，除维修秦长城外，还主要在今天的新疆、陕西、甘肃一带增筑新长城。同时，也主动出击，汉武帝时，曾派遣卫青、霍去病统兵三次讨伐匈奴，迫使匈奴远徙西北。原依附匈奴的乌桓、鲜卑各族转而归附汉朝，被迁居到燕北上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东五郡的塞外地区。为加强管理，西汉政府还专门设立了护乌桓校尉，后又设立护鲜卑校尉和护东夷校尉，级别相当于郡守。其中护乌桓校尉府就设在蓟城。
东汉初年，匈奴、乌桓、鲜卑等族乘东汉国势较弱之机，又不断南下袭扰，蓟城以北的渔阳、上谷等郡成为防御的前线。光武帝刘秀先后任命几位有治理地方经验的官吏来这里做太守，其中郭伋、张堪最为突出。公元30年（建武六年），郭伋任渔阳太守，针对地方秩序混乱、匈奴犯境的状况，他“示以信赏，纠戮渠帅，盗贼销散……整勒士马，设攻守之略，匈奴畏惮远迹，不敢复入塞，民得安业。”在他任职的五年中，当地户口倍增。接任渔阳太守的张堪，继续沿用郭伋的治理方法，“捕击奸猾，赏罚必信，吏民皆乐为用”。张堪还在狐奴（今顺义东北）兴修水利，开辟稻田八千余顷，发展农业，提高武备。一次匈奴以万骑侵入渔阳，张堪率数千军队奔击，大破之。张堪任太守八年，渔阳比较安定。
东汉后期开始，蓟城一带处于分裂割据势力的控制之下。公元200年（建安五年），曹操经官渡一战，击败袁绍主力，基本统一北方。蓟城成为后来曹魏政权控制北方少数族的重要城市。为了统领北方军事，在蓟城设立征北将军府。征北将军统辖幽州刺史和护乌桓、鲜卑、东夷三校尉。这些措施使蓟城地区有了一段相对安定的时期。
西晋一代，对蓟城地区也十分重视。271年（泰始七年），晋武帝任命卫瓘为征北大将军，都督幽州诸军事，同时兼任幽州刺史、护乌桓校尉。卫瓘采用离间手段，削弱了北部乌桓、鲜卑的威胁。卫瓘之后，治理幽蓟地区有成就的还有张华、唐彬等人。据《晋书·张华传》记载：张华是范阳方城人，西晋方城县北界达今北京大兴区南。今大兴区有张华村，传说为张华故里。282年（太康三年）正月，晋武帝以尚书张华都督幽州诸军事，领乌桓校尉、安北将军。他注意抚纳新旧，广布恩信，使“远夷宾服，四境无虞，频岁丰稔，士马强盛”。
唐彬是晋惠帝时人，史书记载：元康间（291～299年）在他监幽州诸军事时，“却地千里，復秦长城塞，自温城洎于碣石，绵亘山谷且三千里，分军屯守，烽堠相望。由是边境获安，无犬吠之警，自汉魏征镇莫之比焉”。经过这三人的治理，晋太康、元康间，北部边境也有过一段稳定时期。
但到了西晋末年，幽州刺史王浚乘“八王之乱”时机，割据幽州并图谋帝位，不仅遭到晋宗室的反对，也失去幽州士庶的支持。314年（建兴二年），王浚被羯族首领石勒擒杀，蓟城落入鲜卑族段部手中。316年，西晋亡。翌年，东晋建立，只能经营淮河一线以南的半壁江山，中国进入南北分裂、对峙的阶段，北方地区开始了十六国、北朝时期。
这一时期北方的羯、氐、鲜卑等族统治者纷纷在塞内建立政权，包括后赵（羯族，公元319～350年）、前燕（鲜卑族，公元337～370年）、前秦（氐族，公元351～394年）、后燕（鲜卑族，公元384～409年）、北魏（鲜卑族，公元386～534年）、东魏（鲜卑族，公元534～550年）、北齐（鲜卑族，公元550～577年）、北周（鲜卑族，公元557～581年）等，他们都相继占据过蓟城。其中鲜卑族慕容部建立的前燕，350年攻占蓟城，352年将国都从龙城（今辽宁朝阳）迁到蓟城，357年又迁都邺城（今河北临漳）。蓟城作为前燕国都共计5年，这是北方少数民族政权第一次在蓟城建都，时间虽短，但却是北京历史发展过程中的一个亮点，对于北京后来政治地位的进一步上升具有一定的影响。
581年隋朝建立以后，虽然仍依秦汉之例以关中平原的长安为都，号令天下，但是此时全国形势却发生了不少的变化。首先南方经济的崛起，使地处中原的洛阳政治、经济地位加强。其次，南北朝以来自北而南的民族大融合更加汹涌，这种发展使北方民族统治者有了更强烈的政治要求。因此，作为中原门户的蓟城在军事上的地位就显得更加突出。
为了加强中央政府对地方控制和对辽东用兵，隋朝文帝、炀帝时大都委任重臣、名将为幽州总管和涿郡太守。特别是在炀帝时期，以涿郡为重点，兴建了三项重大的工程。
一是开凿南达黄河北至涿郡的永济渠。永济渠是隋朝大运河最北的一段，608年（大业四年），炀帝征调“河北诸郡男女百余万开永济渠，引沁水，南达于河，北通涿郡”。通往蓟城的最后一段，利用当时的桑干河（今南苑附近的凉水河）抵达蓟城的南郊。运河开通后，隋炀帝乘龙舟北巡涿郡。
二是修筑驰道。607年自榆林至涿郡开御道，长达3000里，宽100步。除此之外，北方还修有两条陆路干道，一条自南向北，经河内郡（今河南沁阳）、魏郡（今安阳）、博陵郡（今河北定县）到涿郡；另一条由东往西，经柳城郡（今辽宁朝阳）、北平郡（今河北卢龙）、渔阳郡（今天津蓟县）、涿郡达于马邑郡（今山西临朔县一带）。这两大交通干线以涿郡蓟城作为交汇点。
三是营建临朔宫。609年在蓟城动工兴建。这是一座帝王行宫，主要供隋炀帝巡幸蓟城，督战辽东之役所用。宫殿后毁于农民起义，遗迹无存。关于临朔宫的具体位置主要有两种说法：其一认为位于蓟城城南7里，清泉水北岸（今凉水河）；其二认为位于蓟城东南隅，即今法源寺处。
隋朝统一后，边境各族纷纷归附中央，但是位于东北的高丽不肯臣服。早在开皇年间，隋文帝就曾东征高丽，但因军需供给不及时和疾疫等原因未能达到。隋炀帝在位期间，曾三次派兵进攻高丽，其中两次由他带兵亲征。蓟城则是征调兵马粮饷的集结之地。以第一次征高丽为例，据史书记载：611年（大业七年）二月，炀帝下令攻打高丽。从四月开始，他坐镇涿郡，亲自监督备战。粮草及兵甲“发江淮以南民夫及船，运黎阳（河南浚县附近）及洛口（河南巩县东南）诸仓米至涿郡，舳舻相次千余里。载兵甲及攻取之具，往还在道常数十万人。”又由各地调集军队到涿郡，总数达113.38万人，号称200万。另有后勤人员数目加倍。612年春，军队出师。隋军分二十四路向东北进发，步、骑兵编队以后，每日发一军，两军间隔40里，40天才将军马遣发完毕。军营络绎连绵，长达900里。隋军这次出征遭到高丽人民的顽强抵抗，最终大败而归。隋炀帝又于613年和614年两次征伐高丽，均遭失败。而每次退兵都是驻在涿郡进行休整的。
隋王朝进行大规模的营建和远征，终于导致全国规模的农民大起义。涿郡作为征辽的兵马粮饷集结之地，兵役、徭役负担最为严重，也成为最先爆发农民起义的地区之一。公元617年（大业十三年），涿郡农民在起义军领袖窦建德领导下，在河间地区大败隋军，控制了涿郡地区。620年，窦建德派高士兴率起义军攻打蓟城，未能攻下，退驻于笼火城（今大兴区芦城）。阴历九月，窦建德亲率20万大军围攻蓟城，在起义军已登上城堞与守军展开肉搏时，罗艺部将薛万均率敢死士百人从地道潜出城外，从背后突袭，窦建德猝不及防，遂溃败。罗艺乘胜偷袭窦建德大营，不料窦早有防备，列阵出击，将罗艺打得大败，窦军又攻到幽州城下。但由于双方势均力敌，幽州久攻不下，窦建德只好退兵。后来这支起义军被唐王朝镇压，窦建德在长安遇难。但是北京民间却流传窦建德葬于今房山区良乡窦店，这反映了北京广大民众对农民军领袖的爱戴与怀念。
唐朝时，蓟城通称幽州城，依然是北方军事重镇，且军事、政治地位进一步上升，这与来自北方东北方的边患有着直接联系。唐朝初年，北方东突厥复兴，东北地区契丹逐渐强大，高丽也经常侵扰辽西地区。幽州地区首当其冲，故唐朝在此设重兵防守。幽州地方长官拥有强大军事实力，并被中央赋予很大的政治权力。高祖李渊甚至曾派太子李建成亲至幽州，督军抵御突厥进攻。629年（贞观三年）冬，太宗李世民乘突厥内乱，发兵北伐，次年擒颉利可汗。东突厥部落离散，大部分投降唐朝。唐将降众安置于东起幽州西至关州一带，分置都督府统领。此后至高宗末年的近五十年中，东突厥残部与唐朝相安无事，幽州北边获得暂时安定。
645年（贞观十九年）二月，唐太宗以幽州为集结地，亲自带兵从水陆两线进发远征高丽，出发前军队在幽州城南郊誓师。但因为高丽人民的顽强抵抗，唐军损失惨重，加之天寒且粮食将尽，这年冬天唐太宗被迫退兵幽州。征辽之役以失败告终，死亡将士近二千人。为了悼念东征阵亡的将士，将部分遗骸葬于幽州城西，称为“哀忠墓”。又在城内东南隅修筑一座庙宇，命名悯忠寺（今法源寺前身），寺中建有高阁，谚曰：“悯忠高阁，去天一握。”以后，唐高宗复出师征辽，最终讨平高丽。此役中，幽州虽不是军马粮草集结地，但租赋全部转运辽东，有力地支援了军用。