秦國滅燕的次年（公元前221年），又揮師滅掉東方的齊國，完成了一統天下的霸業，建立了封建專制主義中央集權的國家——秦朝。薊城的地位也從諸侯國的政治、經濟中心變成了統一的中原王朝控制下的北方軍事重鎮。從秦到五代，在中國封建社會的前期，薊城地區的歷史主要圍繞著中原王朝經略北方少數民族以及中央政權與薊城地方割據勢力較量兩個主題展開。在這一過程中，薊城戰略地位和交通樞紐的作用更顯突出，并逐漸發展成為中國北部地區多民族共居的中心城市。

對于統一的封建專制主義中央集權的秦朝來說，舊燕地是遠離秦都咸陽的北方邊遠地區，其地理位置處于中原漢族與北方少數民族交接地帶，這里無疑是秦帝國抵御少數民族南下，并向北方開拓的前沿陣地。因此，秦王朝采取幾項措施加強對燕地的控制。

設置廣陽郡。滅掉六國后，秦始皇為了防止六國的舊貴族復辟，不但把他們遷徙到關中、巴蜀等地管理起來，而且在六國舊都城處大都設置了郡，如趙都邯鄲設邯鄲郡，齊都臨淄設齊郡等。廣陽郡的設置顯然也是為了控制舊燕地的核心地區。

拆除燕國的南長城。南長城又稱易水長城，其走向基本上是沿易水東西伸延，恰好阻隔了燕地與中原地區的聯系。拆除易水長城，就使得舊燕地與整個華北大平原乃至關中地區連通起來。

修筑馳道。秦始皇為了加強對各地的控制，自統一后的第二年（公元前220年）起，就以咸陽為中心，陸續修筑通往全圖各地的馳道，史料記載：秦馳道“東窮燕、齊，南極吳、楚，江湖之上，瀕海之觀畢至。道廣五十步，三丈而樹，厚筑其外，隱以金椎，樹以青松。”向東一條經函谷關到三川郡（治所在今洛陽），東北向至鄴縣（今河北臨漳縣西南）達于邯鄲，向北直到薊城。又以薊城為中心，向東經漁陽地區到達碣石（今秦皇島、北戴河地區）；向西北經軍都縣過居庸關到達云中和上郡（今內蒙古和陜北地區）。從而使得薊城更成為南達中原，西連云朔，北接蒙古高原的樞紐。這對薊城以后的經濟發展和文化交流帶來了深遠影響，也確定了薊城作為中原封建國家北方重要邊城的地位和作用。

馳道修通后，秦始皇曾五次沿馳道巡游各地。公元前215年（秦始皇三十二年），始皇第四次出巡，向北到達燕薊地區，曾到過薊城，以后經無終，到達碣石。

秦朝時期，邊患主要來自西北的羌族和北部的匈奴族。尤其是匈奴族，自戰國后期逐漸強大起來，到了秦代，向南已越過陰山，侵入黃河以南地區，對秦朝構成了極大威脅。公元前215年，秦始皇派將軍蒙恬率30萬大軍北擊匈奴，將其逐回河套以北。為了鞏固邊防，次年，由蒙恬督率軍士把原來秦、趙、燕三國的北長城重新修整連接起來，“因地形，用險制塞。起臨洮，至遼東，延袤萬余里”，修筑起著名的萬里長城。秦長城穿越了薊城以北的上谷、漁陽兩郡，“居庸”之名，有一種說法認為是由于秦代有大批服役筑長城的“庸徒”居息于此而得。

西漢初年，匈奴族通過“東擊東胡”，征服了烏桓、鮮卑等民族，勢力再次強大起來。以后就不斷南下，襲擾劫掠西漢政權的北部邊郡，薊城地區往往首當其沖。

西漢政府為了加強對北方地區的防御，繼續修繕長城，除維修秦長城外，還主要在今天的新疆、陜西、甘肅一帶增筑新長城。同時，也主動出擊，漢武帝時，曾派遣衛青、霍去病統兵三次討伐匈奴，迫使匈奴遠徙西北。原依附匈奴的烏桓、鮮卑各族轉而歸附漢朝，被遷居到燕北上谷、漁陽、右北平、遼西、遼東五郡的塞外地區。為加強管理，西漢政府還專門設立了護烏桓校尉，后又設立護鮮卑校尉和護東夷校尉，級別相當于郡守。其中護烏桓校尉府就設在薊城。

東漢初年，匈奴、烏桓、鮮卑等族乘東漢國勢較弱之機，又不斷南下襲擾，薊城以北的漁陽、上谷等郡成為防御的前線。光武帝劉秀先后任命幾位有治理地方經驗的官吏來這里做太守，其中郭伋、張堪最為突出。公元30年（建武六年），郭伋任漁陽太守，針對地方秩序混亂、匈奴犯境的狀況，他“示以信賞，糾戮渠帥，盜賊銷散……整勒士馬，設攻守之略，匈奴畏憚遠跡，不敢復入塞，民得安業。”在他任職的五年中，當地戶口倍增。接任漁陽太守的張堪，繼續沿用郭伋的治理方法，“捕擊奸猾，賞罰必信，吏民皆樂為用”。張堪還在狐奴（今順義東北）興修水利，開辟稻田八千余頃，發展農業，提高武備。一次匈奴以萬騎侵入漁陽，張堪率數千軍隊奔擊，大破之。張堪任太守八年，漁陽比較安定。

東漢后期開始，薊城一帶處于分裂割據勢力的控制之下。公元200年（建安五年），曹操經官渡一戰，擊敗袁紹主力，基本統一北方。薊城成為后來曹魏政權控制北方少數族的重要城市。為了統領北方軍事，在薊城設立征北將軍府。征北將軍統轄幽州刺史和護烏桓、鮮卑、東夷三校尉。這些措施使薊城地區有了一段相對安定的時期。

西晉一代，對薊城地區也十分重視。271年（泰始七年），晉武帝任命衛瓘為征北大將軍，都督幽州諸軍事，同時兼任幽州刺史、護烏桓校尉。衛瓘采用離間手段，削弱了北部烏桓、鮮卑的威脅。衛瓘之后，治理幽薊地區有成就的還有張華、唐彬等人。據《晉書·張華傳》記載：張華是范陽方城人，西晉方城縣北界達今北京大興區南。今大興區有張華村，傳說為張華故里。282年（太康三年）正月，晉武帝以尚書張華都督幽州諸軍事，領烏桓校尉、安北將軍。他注意撫納新舊，廣布恩信，使“遠夷賓服，四境無虞，頻歲豐稔，士馬強盛”。

唐彬是晉惠帝時人，史書記載：元康間（291～299年）在他監幽州諸軍事時，“卻地千里，復秦長城塞，自溫城洎于碣石，綿亙山谷且三千里，分軍屯守，烽堠相望。由是邊境獲安，無犬吠之警，自漢魏征鎮莫之比焉”。經過這三人的治理，晉太康、元康間，北部邊境也有過一段穩定時期。

但到了西晉末年，幽州刺史王浚乘“八王之亂”時機，割據幽州并圖謀帝位，不僅遭到晉宗室的反對，也失去幽州士庶的支持。314年（建興二年），王浚被羯族首領石勒擒殺，薊城落入鮮卑族段部手中。316年，西晉亡。翌年，東晉建立，只能經營淮河一線以南的半壁江山，中國進入南北分裂、對峙的階段，北方地區開始了十六國、北朝時期。

這一時期北方的羯、氐、鮮卑等族統治者紛紛在塞內建立政權，包括后趙（羯族，公元319～350年）、前燕（鮮卑族，公元337～370年）、前秦（氐族，公元351～394年）、后燕（鮮卑族，公元384～409年）、北魏（鮮卑族，公元386～534年）、東魏（鮮卑族，公元534～550年）、北齊（鮮卑族，公元550～577年）、北周（鮮卑族，公元557～581年）等，他們都相繼占據過薊城。其中鮮卑族慕容部建立的前燕，350年攻占薊城，352年將國都從龍城（今遼寧朝陽）遷到薊城，357年又遷都鄴城（今河北臨漳）。薊城作為前燕國都共計5年，這是北方少數民族政權第一次在薊城建都，時間雖短，但卻是北京歷史發展過程中的一個亮點，對于北京后來政治地位的進一步上升具有一定的影響。

581年隋朝建立以后，雖然仍依秦漢之例以關中平原的長安為都，號令天下，但是此時全國形勢卻發生了不少的變化。首先南方經濟的崛起，使地處中原的洛陽政治、經濟地位加強。其次，南北朝以來自北而南的民族大融合更加洶涌，這種發展使北方民族統治者有了更強烈的政治要求。因此，作為中原門戶的薊城在軍事上的地位就顯得更加突出。

為了加強中央政府對地方控制和對遼東用兵，隋朝文帝、煬帝時大都委任重臣、名將為幽州總管和涿郡太守。特別是在煬帝時期，以涿郡為重點，興建了三項重大的工程。

一是開鑿南達黃河北至涿郡的永濟渠。永濟渠是隋朝大運河最北的一段，608年（大業四年），煬帝征調“河北諸郡男女百余萬開永濟渠，引沁水，南達于河，北通涿郡”。通往薊城的最后一段，利用當時的桑干河（今南苑附近的涼水河）抵達薊城的南郊。運河開通后，隋煬帝乘龍舟北巡涿郡。

二是修筑馳道。607年自榆林至涿郡開御道，長達3000里，寬100步。除此之外，北方還修有兩條陸路干道，一條自南向北，經河內郡（今河南沁陽）、魏郡（今安陽）、博陵郡（今河北定縣）到涿郡；另一條由東往西，經柳城郡（今遼寧朝陽）、北平郡（今河北盧龍）、漁陽郡（今天津薊縣）、涿郡達于馬邑郡（今山西臨朔縣一帶）。這兩大交通干線以涿郡薊城作為交匯點。

三是營建臨朔宮。609年在薊城動工興建。這是一座帝王行宮，主要供隋煬帝巡幸薊城，督戰遼東之役所用。宮殿后毀于農民起義，遺跡無存。關于臨朔宮的具體位置主要有兩種說法：其一認為位于薊城城南7里，清泉水北岸（今涼水河）；其二認為位于薊城東南隅，即今法源寺處。

隋朝統一后，邊境各族紛紛歸附中央，但是位于東北的高麗不肯臣服。早在開皇年間，隋文帝就曾東征高麗，但因軍需供給不及時和疾疫等原因未能達到。隋煬帝在位期間，曾三次派兵進攻高麗，其中兩次由他帶兵親征。薊城則是征調兵馬糧餉的集結之地。以第一次征高麗為例，據史書記載：611年（大業七年）二月，煬帝下令攻打高麗。從四月開始，他坐鎮涿郡，親自監督備戰。糧草及兵甲“發江淮以南民夫及船，運黎陽（河南浚縣附近）及洛口（河南鞏縣東南）諸倉米至涿郡，舳艫相次千余里。載兵甲及攻取之具，往還在道常數十萬人。”又由各地調集軍隊到涿郡，總數達113.38萬人，號稱200萬。另有后勤人員數目加倍。612年春，軍隊出師。隋軍分二十四路向東北進發，步、騎兵編隊以后，每日發一軍，兩軍間隔40里，40天才將軍馬遣發完畢。軍營絡繹連綿，長達900里。隋軍這次出征遭到高麗人民的頑強抵抗，最終大敗而歸。隋煬帝又于613年和614年兩次征伐高麗，均遭失敗。而每次退兵都是駐在涿郡進行休整的。

隋王朝進行大規模的營建和遠征，終于導致全國規模的農民大起義。涿郡作為征遼的兵馬糧餉集結之地，兵役、徭役負擔最為嚴重，也成為最先爆發農民起義的地區之一。公元617年（大業十三年），涿郡農民在起義軍領袖竇建德領導下，在河間地區大敗隋軍，控制了涿郡地區。620年，竇建德派高士興率起義軍攻打薊城，未能攻下，退駐于籠火城（今大興區蘆城）。陰歷九月，竇建德親率20萬大軍圍攻薊城，在起義軍已登上城堞與守軍展開肉搏時，羅藝部將薛萬均率敢死士百人從地道潛出城外，從背后突襲，竇建德猝不及防，遂潰敗。羅藝乘勝偷襲竇建德大營，不料竇早有防備，列陣出擊，將羅藝打得大敗，竇軍又攻到幽州城下。但由于雙方勢均力敵，幽州久攻不下，竇建德只好退兵。后來這支起義軍被唐王朝鎮壓，竇建德在長安遇難。但是北京民間卻流傳竇建德葬于今房山區良鄉竇店，這反映了北京廣大民眾對農民軍領袖的愛戴與懷念。

唐朝時，薊城通稱幽州城，依然是北方軍事重鎮，且軍事、政治地位進一步上升，這與來自北方東北方的邊患有著直接聯系。唐朝初年，北方東突厥復興，東北地區契丹逐漸強大，高麗也經常侵擾遼西地區。幽州地區首當其沖，故唐朝在此設重兵防守。幽州地方長官擁有強大軍事實力，并被中央賦予很大的政治權力。高祖李淵甚至曾派太子李建成親至幽州，督軍抵御突厥進攻。629年（貞觀三年）冬，太宗李世民乘突厥內亂，發兵北伐，次年擒頡利可汗。東突厥部落離散，大部分投降唐朝。唐將降眾安置于東起幽州西至關州一帶，分置都督府統領。此后至高宗末年的近五十年中，東突厥殘部與唐朝相安無事，幽州北邊獲得暫時安定。

645年（貞觀十九年）二月，唐太宗以幽州為集結地，親自帶兵從水陸兩線進發遠征高麗，出發前軍隊在幽州城南郊誓師。但因為高麗人民的頑強抵抗，唐軍損失慘重，加之天寒且糧食將盡，這年冬天唐太宗被迫退兵幽州。征遼之役以失敗告終，死亡將士近二千人。為了悼念東征陣亡的將士，將部分遺骸葬于幽州城西，稱為“哀忠墓”。又在城內東南隅修筑一座廟宇，命名憫忠寺（今法源寺前身），寺中建有高閣，諺曰：“憫忠高閣，去天一握。”以后，唐高宗復出師征遼，最終討平高麗。此役中，幽州雖不是軍馬糧草集結地，但租賦全部轉運遼東，有力地支援了軍用。