戰(zhàn)國，屬趙。

秦朝，置平城縣，故治在今大同城東北古城，屬雁門郡。新莽改平城縣為平順縣，

東漢，復(fù)舊。建安末年廢，

三國，魏復(fù)置，屬新興郡。

晉朝，改屬雁門郡。

北魏，延和元年（432年）改萬年縣。太和十七年（493年）復(fù)名平城，屬恒州，兼為州治，故治在今大同城東3千米無憂坡上。

北齊，天保七年（556年）改太平縣，屬代郡。時又于縣境西北置臨塞縣和臨陽縣。

北周，廢置，同時改太平縣為云中縣，屬長寧郡，故治在大同城西北15千米。

隋朝，開皇二年（582年）改云內(nèi)縣，屬馬邑郡。

唐朝，貞觀十四年（640年）定襄縣自朔州北界定襄城故址徙此，屬云州，兼為州治，云內(nèi)縣廢入，故治在今大同城西北15千米。永淳元年（682年）為默啜所破，州、縣俱廢。開元十八年（730年）復(fù)為云中縣，屬云州，故治在今大同城東3千米。

五代，晉割入契丹，隸西京道。

遼朝，重熙十七年（1048年）析云中縣地置大同縣，屬西京道。

金朝，初于縣境置裕民縣，故治在今大同城西北，皇統(tǒng)初年廢。

元朝，至元二年（1265年）云中縣廢入大同縣，屬大同路。

明朝、清朝，俱屬大同府。

中華民國，初年屬雁門道，后屬省。抗日戰(zhàn)爭時期分置東、西大同縣，分屬晉察冀邊區(qū)與晉綏邊區(qū)。抗日戰(zhàn)爭勝利后復(fù)為一縣。

1949年，屬察哈爾省。

1952年，復(fù)歸山西省。

1954年，與懷仁縣合并為大仁縣，縣政府駐大同市城區(qū)。

1958年，大仁縣并入大同市，以之置郊區(qū)，區(qū)政府仍駐大同市內(nèi)。

1960年，以原大同縣置古城區(qū)。

1964年，復(fù)為大同縣，屬大同市。

1965年，改屬雁北專區(qū)。

1967年，屬雁北地區(qū)。

1971年，與大同市分治，縣政府遷駐西坪鎮(zhèn)。

1993年，撤銷雁北地區(qū)，縣改屬大同市。

2001年，原西坪鎮(zhèn)、中高莊鄉(xiāng)合并設(shè)立新的西坪鎮(zhèn)，原許堡鄉(xiāng)、西冊田鄉(xiāng)合并設(shè)立新的許堡鄉(xiāng)，原瓜園鄉(xiāng)、城莊鄉(xiāng)合并設(shè)立新的瓜園鄉(xiāng)，原聚樂堡鄉(xiāng)、閣老山鄉(xiāng)合并設(shè)立新的聚樂堡鄉(xiāng)，原峰峪鄉(xiāng)、徐團(tuán)鄉(xiāng)合并設(shè)立新的峰峪鄉(xiāng)，原吉家莊鄉(xiāng)、麻峪口鄉(xiāng)合并設(shè)立新的吉家莊鄉(xiāng)。區(qū)劃調(diào)整后，全縣轄3個鎮(zhèn)、7個鄉(xiāng)：西坪鎮(zhèn)、倍加皂鎮(zhèn)、周士莊鎮(zhèn)、吉家莊鄉(xiāng)、峰峪鄉(xiāng)、杜莊鄉(xiāng)、黨留莊鄉(xiāng)、瓜園鄉(xiāng)、聚樂堡鄉(xiāng)、許堡鄉(xiāng)。縣人民政府駐西坪鎮(zhèn)。

2018年2月9日，國務(wù)院批復(fù)撤銷大同縣，設(shè)立大同市云州區(qū)。