元代全国始设省，中央设中书省，全国各地设十一行省。大同则隶属于中书省河东山西道。至元二年（1265年）云中县并入大同。至元二十五年（1288年）改西京道大同府为大同路。公元1277年，意大利旅行家马可·波罗奉元世祖忽必烈之命，出使南洋诸国，路经大同。他在《马可·波罗游记》中称赞大同是"一座宏伟而又美丽的城市"，"这里商业相当发达，各样的物品都能制造，尤其是武器和其它军需品更加出名。"当时大同领录事司，弘州、浑源、应、朔、武、丰、东胜（内蒙古托克托县）、云内（呼市西南）八州，及大同、白登、宣宁、平地（今集宁南）、怀仁五县。大德四年（1300年）在西京黄华岭（今山阴县北黄花梁）立屯田。六年（1302年）立万户府，所属山阴、雁门、马邑、鄯阳、洪济、金城、宁武共七屯（《元史·地理志》）。明承袭行省，改称承宣布政使司。大同路于洪武二年（1369年）改为大同府，属山西承宣布政使司。大同府辖浑源、应、朔、蔚四州及大同（宣宁县并入大同县）、怀仁、马邑、山阴、广灵、灵丘、广昌（河北涞源县）七县。明实行卫所制，大同镇为九边重镇之一，洪武五年山西行都指挥使司设在大同。永乐七年（1409年）设镇守总兵官，为镇之最高指挥官。成化十年（1474年）设巡抚；正德八年（1513年）设总制。所辖大同前、后卫（两卫治大同），大同左卫、云川卫（两卫治左云县），大同右卫、玉林卫（两卫治右玉县），阳和卫、高山卫（两卫治阳高县），天成卫、镇虏卫（两卫治天镇县），平虏卫（治平鲁县），威远卫（治右玉县南），井坪千户所（治今平鲁县井坪镇）等13卫所，823堡寨，307座墩台。其地为今山西外长城以南，东自冀、晋省界，西至大同市西北一带。明初在此屯田，为京师西北屏障。明洪武五年（1372年）徐达依旧城重建大同城，呈方形，周围13里，高4丈2尺，包砖，设四门，均有瓮城、吊桥、城壕。四门东曰和阳，南曰永泰，西曰清远，北曰武定。四门均建城楼，四角有角楼，城正中有牌楼.不仅城防设计固若金汤，为我国军事重镇的典范，而且整体布局如"凤凰单展翅"。成化二十一年（1485年）筑长城，嘉靖年间先后三次修筑长城，万历年间又两次修大同边墙。洪武二十五年（1392年）朱元璋封十三子朱桂为代王，在大同建立王藩，称代王府。洪武二十九年（1396年）置分守冀北道，驻大同府，嘉靖年中期移驻朔州。