安史之乱被平息之后，唐帝国的政治军事实力大为削弱。投降唐朝的安史余部在河北地区仍有相当大的势力，唐朝统治者为了换取他们的拥戴，分别封以诸镇节度使的名号，主要有卢龙镇（治今北京市）、魏博镇（治今河北大名）和成德镇（治今河北正定），合称河朔三镇。其中幽州卢龙镇节度使李怀仙原为史朝义部将，降唐后仍任原职，他在幽州地区拥有数万军队，修兵缮邑，笼络军心，户版不籍于天府，税赋不入于朝廷，名为藩臣，实则割据。从公元763年（广德元年）李怀仙割据幽州起，至913年（后梁乾化三年）李存勗从山西攻占幽州止，在150年内，幽州地区先后更换了28任节度使。他们名义上为朝廷授职，实际上或为父子兄弟相承，或为军中部将逐帅自立，中央政府根本无法控制，只好姑息羁縻以求得一时苟安。
长期的藩镇割据给幽州人民带来莫大的灾难。幽州地区兵祸不断，统治者连年征调百姓服役、当兵，大肆搜刮民间财富，使“闾里为之一空”。尤其是唐末五代初，刘仁恭、刘守光父子割据幽州达19年之久，极端贪婪凶残，使幽州人民的苦难达于极点。刘仁恭当权期间，在与宣武节度使朱全忠争战中，竟然将幽州境内凡15岁以上、70岁以下的男子全部征召入伍，并且要自带兵粮。为了稳固军心，还在当兵的男子脸上一律刺上“定霸都”，在士人胳臂上刺“一心事主”四字。刘仁恭还“筑宫大安山（今房山区境内），选美女充其中。又与道士炼丹药，冀可不死”。此外，他禁止民间使用铜钱，改铸铁钱，甚至“令燕人用墐土为钱，悉敛铜钱凿山而藏之。已而杀其工以灭口”。更为荒唐的是，他还禁止南方茶商入境，令人把山上的草木叶采来当茶叶强行卖给老百姓，以获厚利。
907年（后梁开平元年），刘仁恭之子刘守光幽禁其父，自任节度使。刘守光为政，苛酷甚于其父，史书记载他命人制铁笼、铁刷，“人有过者，坐之笼中，外燎以火，或刷剔其皮肤以死”，致使幽州士庶很多逃奔他乡。911年（后梁乾化元年）八月，刘守光称帝，以幽州城为都城，建国号大燕，建元应天。为避免与安禄山大燕同名，故史称刘守光建立的燕为“中燕”。中燕仅存三年，913年，后来建立后唐政权的晋王李存勗亲征幽州，攻陷幽州城，擒杀刘氏父子，以周德威任幽州节度使。
幽州地区长期被藩镇割据势力所把持，已然失去了封建中央集权国家北方门户的作用。这时，东北契丹族势力日渐强大，经常出兵南下袭扰。公元917年，耶律阿保机派汉族降将卢文进领兵50万攻打幽州。卢文进熟知幽州地形，首先派军队攻占居庸关以西，再围攻幽州城。夏四月，契丹军采用飞梯攻城，并挖掘地道，城中则掘开地道，向里灌油燃烧以阻击敌兵；契丹军又在城外堆土山攻城，城中又熔铜汁以洒杀敌兵。幽州守军在援军的支持下守城近二百天，使耶律阿保机南侵的企图落空。公元928年（后唐天成三年），新即位不久的耶律德光又两次出兵河北，均被击败，溃不成军。在逃经幽州时，被后唐军邀击，“余众散投村落，村民以白梃击之，其得脱归国者不过数十人”，自此契丹不敢再轻易来犯。尽管当时，契丹占领了山后的蔚、新、妫、武、儒诸州和幽州以东的营、平等州，但向幽州几次进兵却始终未能攻下，这说明中原王朝还是有保卫和控制幽燕地区的能力。
为了防御契丹，后唐政权在山西、河北等地屯驻了大量的军队，其中驻守太原的河东节度使石敬瑭为后唐明宗之婿，手中握有重兵。公元936年（后唐清泰三年），石敬瑭起兵反后唐。为了夺取后唐中央政权，他遣使向契丹统治者耶律德光求援，以割让幽（今北京）、蓟（今天津蓟县）、瀛（今河北河间）、莫（今河北任丘）、涿（今河北涿州）、檀（今北京密云）、顺（今北京顺义）、新（今河北涿鹿）、妫（今河北怀来）、儒（今北京延庆）、武（今河北宣化）、云（今山西大同）、应（今山西应县）、寰（今山西朔县东北）、朔（今山西朔县）、蔚（今河北省蔚县）等十六州给契丹，岁纳帛30万匹为条件，石敬瑭还上表“称臣于契丹主，且请以父礼事之”。这时，镇守幽州的节度使赵德钧也想乘机自立为帝，同样希望得到契丹的支持，但他只是答应与契丹结为兄弟之国，让石敬瑭继续镇守河东。这个交换条件，显然要比石敬瑭的条件差得多，不但没有得到耶律德光的回应，反而因按兵不动，助长了耶律德光的南下。在契丹5万骑兵的帮助下，石敬瑭攻下洛阳，建立了后晋政权。此时，在幽州的赵德钧、赵延寿父子看后唐政权大势已去，遂投降契丹统治者，献出幽州城，结果反被锁拿回契丹本土。幽州地区自此归属契丹贵族的统治之下，北京历史开始了新的篇章。