西汉和隋、唐三个统一王朝，建都长安，在汉唐之间，还有前赵、前秦、后秦、西魏、北周五个地方割据政权在此建都，以及西汉末的新莽、两汉之际的更始帝刘玄、东汉献帝、西晋惠帝和愍帝、赤眉军、黄巢、李自成等短暂立都于此。隋唐长安城座落在今西安市区，西汉至北周时期的长安城，位于其西北侧，位置相距很近。这两处城址实际依托着同样的区域地理条件，即它的区域位置，处于关中腹心，农业条件优越，物产丰富，能够保证都城的基本需求，同时四面有险可依，易守难攻，便于居高临下，控制东部中原地区；城址正处在函谷关东西交通大干道的渭河渡口与关中东南通往长江中游地区的武关道的交叉点上，这两条道路严格受制于自然地形，因而这一交通中心位置，成为制约城址选择的关键因素。
    在西汉长安城和隋唐长安城这两处城址中间，间隔有一块微微隆起的高坡，名为龙首原，西起今西安三桥一带，东至浐河岸边。西汉以前，秦朝都城咸阳，位于渭河北岸，由于渭河的阻隔，不便向东、向南发展，所以秦朝将城区向渭河南岸扩展，陆续在渭河南岸修建一批宫殿，其中包括有著名的阿房宫，还有一座兴乐宫，即座落在龙首原上。
    汉高祖五年（前202年）刘邦灭楚后，最初计划建都洛阳，后来听从娄敬、张良等人建议，认识到关中战略地位的重要性，决定定都关中。当时秦朝宫室已经多遭项羽焚毁，只能暂时居住在秦朝旧都栎阳。
    同年后九月，刘邦决定首先修复兴乐宫，并改名为长乐宫，以此为基础，兴建都城，取用当地一个乡聚的名称，名为长安城。汉高祖七年（前200年）二月，长乐宫建成，朝廷百官由栎阳徙入长安。汉高祖八年（前199年），又在长乐宫西侧兴建未央宫。未央宫和长乐宫东西并立在龙首原上，是汉长安城中的两座主要宫室，汉朝帝后的生活和主要政治活动，主要在这里进行。以后城中修筑的其他宫室都在这两座宫室北面的平地上，建造这两座宫室，显然是有意利用龙首原的地势以显现帝王的威仪；同时也控制了全城的制高点，有利于城市和帝王自身的安全。
    长乐宫由一系列建筑构成，整座宫室规模很大，宫内的主要建筑是长乐宫前殿，东西近50丈，进深约12丈；另一所重要建筑为长信宫。西汉诸帝仅刘邦常居长乐宫，从惠帝开始直到平帝，以后历朝皇帝均常居未央宫，而将长乐宫作为太后的寝宫。长信宫即皇太后在长乐宫中的常住殿宇。未央宫的主体建筑也是前殿，其规模与长乐宫前殿大体相当，东西50丈，进深15丈，高35丈，是皇帝朝会诸侯群臣的场所。汉武帝时重新整修未央宫，增建有柏梁台等建筑，并改造原有宫殿，将未央宫前殿改造成以木兰为栋，文杏为梁，金铺玉户，重轩镂槛。
    长安城城垣，从汉惠帝元年（前194年）正月开始兴建，前后进行几次，到惠帝五年（前190年）九月，基本完工。城垣周回60里左右（汉里），城高3丈5尺，四周各开三座城门，四面都有渠水或河水环绕。南面由东向西依次为：覆盎门（杜门）、安门、西安门；西面由南向北依次为章门、直门、雍门；北面由西向东依次为：横门、洛门、利门；东面由北向南依次为：宣平门（东都门）、清明门、霸门。由于是先建宫殿居宅后围城垣，里面有建筑物的限制，外面西侧又有泬水限制，当时的渭河河道也比现在要偏南许多，紧逼着汉长安城城区，在北侧也限制着城墙的修筑，所以汉长安城的城墙除东面平直以外，其他三面均凸凹曲折。当时城中宫殿所占的面积还不到一半，有相当大一部分民居。汉武帝时大兴土木，在未央宫北面增修高祖时草创的北宫，并新建有桂宫、明光宫等宫殿群，占去城中大部分空间，普通居民的居住区域只剩下很小一部分。
    汉长安城内的街道布局，古人有“八街九陌”的说法，详细情况，目前还无法复原，但可知街道布局与宫殿的平面布局一样，都不够规整。文献记载汉长安城的一般居民区共划分为160个里，但流传下来的里名总共只有十几个，现已无法一一复原。在长安城北面的横门东西两侧，设有九个市进行交易；另外在覆盎门外也设有市，城南还有专门交易书籍的“槐市”。
    汉武帝时期长安城在城垣外面有三个大的发展。即在城西和城南分别修筑建章宫和明堂，在城西南开凿昆明池，以及拓展上林苑。建章宫建在未央宫西侧，周回30里，规模比长乐、未央两宫都大，高可俯视未央宫，有凌空阁道，跨越城墙，连通未央宫。明堂是礼制建筑。昆明池开凿于汉武帝元狩三年（前120年），是一个大型人工湖泊，周回40里左右，占地300多顷。开凿昆明池本是为训练水军，客观上却成为汉长安城的一座大型水库。上林苑本是秦朝设在渭河南岸的苑囿，汉武帝三年（前138年）大幅度扩展上林苑后，其范围周袤300余里，苑内建有大量亭台楼阁，布满珍禽奇兽，名木异草，汉朝皇帝秋冬季节都要在苑中射猎。
    汉武帝以后，长安城中再没有大规模的兴建，一直维持着原来的规模。经过西汉末年、东汉末年和魏晋南北朝期间的无数次战争动乱，长安城日益凋敝残破。虽然在北周时期，还沿用汉长安城作为都城，但由于历时过久，城中宫宇朽蠹，供水、排水严重不畅，不易修复，同时龙首原北侧，逼近渭河，范围狭促，难以扩大城区规模，而龙首原南侧，地形开阔高爽，从南山引水方便，于是隋文帝在统一全国后，便决定在龙首原南侧，另建新都。
    隋文帝开皇二年（582年）六月，下诏兴建新都，左庶子宇文恺负责规划设计并组织施工，同年年底，基本完工。隋文帝在北周时曾受封为大兴郡公，故命名新都为大兴城，宫城为大兴宫，宫城正殿为大兴殿，大兴殿正门为大兴门，新设禁苑为大兴苑。开皇三年（583年）三月，迁入大兴城。
    大兴城完全按照宇文恺的总体规划施工建造，平面布局规整，整个城市由外郭城、宫城和皇城三部分构成。
    外郭城形状近方形，东西宽度略大于南北长度，东西宽9000多米，南北长8000多米，城周长35·5公里。由于城墙过长，修建时间仓促，大兴城初完工时城墙较低矮，以后陆续增筑过多次，见于记载者即有隋大业九年（613年）一次、大业末年一次、唐高宗永徽五年（654年）两次、唐玄宗开元十八年（730年）一次，前后共5次。大兴城外郭城南、东、西三面各开三门，至唐相承未改。南面中间为明德门，东为启夏门，西为安化门；东面由北至南依次为通化门、春明门、延兴门；西面由北向南依次为开远门、金光门、延平门。北面两门，都在宫城西侧，西为光化门，东为华林门，唐避武后祖讳改为芳林门。城内靠北墙中央为宫城，其南为皇城，其余部分共有14条东西向街道，11条南北向街道，把外郭城分成排列规整的坊市。以全城南北中轴线朱雀大街（正对皇城正门朱雀门）为界，两侧相互对称。全城共有109坊，朱雀街西为55坊，朱雀街东为因城东南角曲江池占去一坊地，比街西少一坊，为54坊。此外，在朱雀街东西两侧，各用两坊地面积，修筑有都会市和利人市。都会市在朱雀街东侧，唐代称为东市；西市在朱雀街西，唐代称为西市。坊四面有围墙，通过固定的坊门出入，是相对封闭的居住区。坊又称里，坊制是由秦汉在城乡普遍施行的闾里制沿承而来。东、西两市是商肆集中的商业区。
    宫城即大兴宫，是皇帝寝居和处理朝政的场所。宫城内部分为三大部分，中间部分供皇帝寝居临朝，狭义的大兴宫或宫城，即指这一部分。东面为东宫，是皇太子的寝居之地。西面为掖庭宫，是普通宫女的住所。宫城南面有门连同皇城，北面有门出城入大兴苑。
    皇城在宫城的南面，是朝廷各个部门的办公区。除个别一些部门有特殊情况外，几乎全部政府机构，都集中在这里。此外，祖庙和社稷坛也按照《考工记》“左祖右社”的说法，分别排列在皇城城垣内的东西两侧。
    为解决宫廷和城内居民的生活用水以及园林绿化用水，宇文恺在大兴城中还设计了永安渠、清明渠、龙首渠、和曲江池水几条水渠，流贯外郭城、皇城、宫城和大兴苑。曲江池本是一处天然水泊，秦汉时即曾修凿，辟为游赏胜地。宇文恺进一步疏凿整治，使其占去整个城内地势最高的东南隅处一坊之地，一方面作为水库，调剂城内供水，一方面也为城市开辟一处风景区，并在这里修建离宫别馆，供帝王权贵游赏。隋文帝忌讳“曲江池”的“曲”字，便根据曲江池多芙蓉而改名为芙蓉池，同时将曲江池边的园林馆舍命名为芙蓉园。
    大兴苑在城北，西起汉长安城故城（汉长安城被圈围在苑内），东止灞水、浐水岸边，北至渭水，南抵大兴城下。大兴苑的设置，主要是供帝王游玩，但它对保障大兴城特别是宫城的安全，也起到重大作用。大兴城的宫城北墙，同时也是外郭城的北垣，墙外没有其他依托，而北面的龙首原为制高点，容易对宫城造成威胁。将城垣北面化作苑囿，可以充分利用北面的渭水和东面的灞水、浐水，以及四面的苑墙，拱卫皇宫。
    大兴城所在的位置，地势起伏不平，有许多冈坡。宇文恺规划大兴城，总体设计思想是将整个城区作为均一的平面来安排布局，大兴城布局规划的最大特点，是平面几何形式上的整齐对称。刻意追求平面布局形式的完美，必然会妨害合理利用地形。大兴宫中有一半地方，海拔高程在410米以下，而全城109个坊中，却有80个左右的坊，海拔高程在410米以上，这与帝王之居很不相称；而宫城南面的皇城，地势更为低洼，同样不适于布置朝廷百司。
    唐代定都大兴城后，更名大兴为长安，同时将大兴宫、大兴殿和大兴门，分别更名为太极宫、太极殿和太极门，大兴苑更名为禁苑。从唐太宗时起，长安城陆续发生一些变化。
    唐太宗贞观八年（634年），在宫城东侧北郭墙外的龙首原上，兴建永安宫，作为太上皇李渊避暑的离宫。翌年（635年）改名为大明宫。至高宗龙朔二年（662年），唐高宗因患风痹病，嫌太极宫低洼湫湿，屋宇雍蔽，大规模扩建大明宫，并改名为蓬莱宫。咸亨元年（670年），又改名为含元宫，但不久即复改回为大明宫。唐高宗扩建后的大明宫，规模与太极宫不相上下，建筑之弘壮则往往过之。唐代除高宗以外的历朝皇帝（玄宗除外），都是以大明宫为主要宫寝，只是在举行一些特殊的重大典礼时，才依循礼制到太极宫中举行。随着君主住所的迁徙，太极宫中的一切附属设置也随之转移到大明宫中，如大明宫中的少阳院，即是相当于太极宫东宫的太子寝宫。由于大明宫在原来的宫城太极宫的东面，这两处宫殿又分别被称作东内和西内。
    唐玄宗李隆基原来居住在长安城东垣下的隆庆坊，登基后避讳改为兴庆坊，开元二年（714年），改建此坊为兴庆宫。至开元十四年（726年），又拓展兴庆宫，占据了北面永嘉坊的一半和西面胜业坊的一部分。天宝十二年（753年），又大规模修筑兴庆宫的墙垣。开元十六年（728年）以后，唐玄宗基本居住于兴庆宫内，故兴庆宫又被称作南内。兴庆宫仅兴盛于玄宗一朝，以后即冷落衰败。兴庆宫内有引龙首渠水汇注而成的龙池，是长安城内仅次于曲江池的水泊。
    随着大明宫和兴庆宫的兴建以及其他实际情况，宇文恺过于理想化的城市街道坊市形态，陆续发生一些变化。大明宫的正门丹凤门开在外郭城北垣上，门南面正对翊善坊，坊墙如同影壁遮挡着宫门。为此只好将翊善坊和它南面的永昌坊从中一分为二，辟出通道，连结到皇城东面延喜门与外郭城东侧通化门之间的东西干道上。兴庆宫扩建后，占去永嘉、胜业两坊的一部分，开元二十年（732年）时在兴庆宫西南角修建花萼相辉楼和勤政务本楼，为拓展楼下地面开辟广场，又拆毁其西南面东市的东北角和它南面道政坊的西北角。城东北角的永福坊，在玄宗先天年间，筑入苑地，作为专供皇子王孙居住的宅院，名为十六王宅。这便阻断了沿东城墙和北城墙下伸向城东北角的顺城街。至唐宣宗时，为方便从曲江池去往新昌坊的青龙寺，又将曲江池与新昌坊之间的升道、广德、立政、敦化四坊一分为二，从中开出一条新路。至此，隋大兴城“畦分棋布”的街坊布局形态，已经大为改观。此外，唐代在外郭城北面的芳林、广化二门中间，又新开一座景耀门，这是外郭城垣较大的变化。
    隋唐长安城内各区域人口居住疏密很不均衡。沿外郭城南垣的四排坊，除城东南角曲江池附近因辟为游览风景胜地而比较繁华以外，其他诸坊都很少有人居住，往往是“烟火不接”而“耕垦种植，阡陌相望”。这也是宇文恺在规划时刻意追求平面布局形式的气魄和完美所造成的缺陷。长安城的人口，主要集中在市区的北侧，尤以东、西两市周围地区最为繁华。
    长安城外郭北垣诸门都通向禁苑，日常出入使用的是东、西、南三面的九座城门。这九座城门除南面正中的明德门为五个门道以外，其他各门都是三个门道，中间的一个门道很少使用，可能只供皇帝出行。一般出入分别走两边的门道，“左入右出”。街道的宽度，根据交通需要，分作几个等级。第一级是连同几座主要城门的街道。除了东西两侧靠南头的延兴、延平两门，由于城南部人口稀少，这两座城门离城外东西方向的大道也较远，行人比较稀少，因此街道宽度一般外，与东、西、南三面其他几座城门相对的街道，宽度都在100米以上。皇城朱雀门到外郭明德门之间的大道最宽，达150米左右。这条大街向北，一直贯穿到宫城朝廷正殿，设计这样的宽度，不但凸现出朱雀大街的全城中轴线作用，还显示出强化皇权核心地位的用意；另一方面，隋唐两代都在明德门外设有天坛，皇帝登坛祭天德的仪仗规模浩大，普通宽度的街道很难容受，也需要这样一条宽阔的道路。第二级是城中大多数道路，宽度在40至70米不等。第三级是顺四面城墙下的道路，宽度在2·5米以内。长安城内街道两旁大多挖有水沟，以排除路面积水，但因地面系颗粒细小的黄土，稍遇雨水，即泥泞不堪，排水沟也无济于事，晴天则车马一过，便尘土飞扬。为保持路面的干燥清洁，唐天宝三年（744年）以后，在一些主要街道的路面上，铺设从浐河岸边运来的河沙，起到了“风吹无尘雨无泥”的作用。为防止路沙散逸，在道路两旁筑有低矮的土垣，当时人称之为“沙堤”。
    隋唐两代是佛、道两教的兴盛时期，长安城中建有100多所寺院道观。这些寺观大多散布在城内各坊当中。此外在宫禁中也有专设的佛堂、道坛；东、西两市专设有供信徒放生的水池，名为“放生池”，池边建有供奉佛像的佛堂；还有一些著名寺院，座落在城垣外边。一些大的寺观，有时独占整个一坊的范围。长安城中虽然寺观林立，却对城市建筑景观影响不大。当时寺观的建筑形式与平面布局，与富贵人家的住宅没有太大差别，长安城中有许多寺观就是由官宦舍宅改作。体现寺院特色的建筑物主要是塔。长安城中最有名的佛塔应是城西南角和平、永阳二坊内的大庄严寺塔和大总持寺塔。这两座塔，形制完全相同，塔身木构，高330尺，周回120步，都是由宇文恺规划建造。宇文恺意图用这两座高塔，来弥补城西南角地势较低的缺憾。保存至今的慈恩寺塔（俗称大雁塔）和荐福寺塔（俗称小雁塔），也都是当时著名的佛塔。
    长安城中的坊大小不等，隋初设计时即分为5级。其中面积较小的两级坊，都在皇城正南，东、西各开有一个坊门。其余的坊是在东、南、西、北各开一个坊门。每个坊内两个相对的坊门之间，连接有道路，是坊内的主要街道。其中两个坊门的小坊是一条东西向横街，四个坊门的大坊是两条相互交叉的十字街。坊内除了这条横街或十字街以外的街道，称为“巷”或“曲”。唐朝对居民生活实行严格宵禁制度，每晚各坊市门随着城门同时关闭，禁止行人上街，拂晓开门，才能上街活动。
    隋初设计大兴城时只有都会市和利人市，亦即东、西两市。两市四面各开二门，市内街道呈“井”字形。东、西两市内邸店林立，货物山积，商品种类繁多。例如东市内的商业门类就分为220行，而西市的繁盛更胜于东市。由于东市周围的坊里大多为公卿勋贵占据，普通商人特别是西域胡商大多集中在西市周围居住。唐朝政府在东、西两市分别设有市署和平准署，负责市场和物价管理。除了东、西两市之外，唐朝还在城内其他一些地方设过集中交易场所。如城南的安善坊，唐高宗用此一坊地和它南面大业坊半坊地设置了“口马牛驴之肆”，相对于东市和西市，称为“中市”。但这一带人烟稀少，交易不便，未能行用多久即改在东市交易，武则天末年正式废除此市，场地改用作威远军教弩场。唐玄宗天宝八年（749年），又在安善坊立市，称为“南市”，但也很快废弃。
    唐代地官僚勋戚除在城内占有豪华的住宅，许多人还在城外近郊风景秀丽的地方建有别墅。别墅最集中的地方是城南沿樊川一线，其次在城东灞、浐两河附近以及蓝田附近的辋川也比较集中，王维的“辋川别居”就是其中之一。
    隋大兴城亦即唐长安城的规划和建筑，不仅对后世有深远影响，在当时就已为隋唐王朝周边的一些地方政权和域外邻国所仿效。例如渤海国上京城和日本的平城京、平安京等，都受到长安城的深刻影响。