汉光武帝刘秀中兴汉室，东汉建立时，国家残破，特别是长安所在的关中，大量的物资需要从外地运进来，为了减少人民物资运输之劳，所以没有建都长安，而是建都洛阳，因为洛阳位于天下之中，地理位置好，有利于物资的运输，而且社会生产没有受到特别破坏。历朝皇帝常常前往长安祭祀宗庙，称洛阳为东都，长安为西都。
东汉末年，天下纷争，汉室势微，初平元年(190)，西凉军阀董卓挟汉献帝迁都长安，192年4月，董卓被王允、吕布刺杀，192年6月，董卓部将李傕等人又攻入长安，后又相互连兵攻杀。建安元年(196)，献帝避难，东还洛阳。
长安在战乱时期作过6年东汉首都，但时间太短，一般在谈到东汉首都时不会顾及这一点。
隋文帝杨坚篡北周建立隋朝后，最初定都在汉长安城。当时的汉长安历经长期战乱，年久失修，破败狭小，污染严重，于是隋文帝决定另建一座新城。
开皇二年(582年)，文帝在长安城东南龙首塬南面选了一块“川原秀丽，卉物滋阜，卜食相土，宜建都邑”
(《隋书·高祖纪》)的地方建造新都，新都定名为“大兴城”。大兴城的面积达84平方公里，主要由建筑学家宇文恺主持规划建设，先造大兴宫城，后造皇城。开皇三年(583年)在城西侧开挖龙首渠、永安渠和清明渠，引浐水、交水、潞水，直通宫城。第二年由大兴城东凿300余里至潼关，名为广通渠，引渭水注入渠中使漕运直通黄河。605年，隋炀帝杨广即位，同年，建通济渠运河，自大兴至江都(今扬州)。608年，又兴建永济渠运河。大业九年(613年)又动用10万余人修筑大兴城外郭城，大兴城的总体格局至此形成。
618年，李渊称帝，建立唐朝，改大兴为长安，此后进一步修建和完善。唐太宗和唐玄宗年间先后增建了大明宫和兴庆宫等宫殿。
唐长安城周长达35.56公里，面积约84平方公里，是现在西安城墙内面积的9.7倍，汉长安城的2.4倍，隋唐洛阳城的1.8倍，元大都的1.7倍，明南京城的1.9倍，明清北京城的1.4倍，公元447年所修君士坦丁堡的7倍，公元800年所修巴格达的6．2倍，古代罗马城的7倍。至盛唐，长安为当时规模最大、最为繁华的国际都市。
唐长安城是世界历史上第一个达到百万人口的大城市。唐长安的人口中，除居民、皇族、达官贵人、兵士、奴仆杂役、佛道僧尼、少数民族外，外国的商人、使者、留学生、留学僧等总数不下3万人。当时来长安与唐通使的国家、地区多达300个。
唐的科技文化、政治制度、饮食风尚等从长安传播至世界各地。另外，西方文化通过唐长安城消化再创造后又辗转传至周边的日本、朝鲜、缅甸等国家和地区。唐长安成为世界西方和东方商业、文化交流的汇集地，是当时世界上最大的国际大都会。
唐长安城由外郭城、宫城、皇城3部分构成，总面积84多平方公里。外郭城平面长方形，东西长9721米，南北宽8651.7米，周长36.7公里。每面有3座城门，南面正门明德门和丹凤门为5个门道外，是都城的最高等级。宫城位于廓城北部中央，平面长方形、南北1492米，东西2820米。
中部为太极宫（隋大兴宫），正殿为太极殿（隋大兴殿）。东为皇太子东宫，西为宫人所居的掖庭宫。皇城接宫城之南，有东西街7条，南北街5条，左宗庙，右社稷，并设有中央衙署及附属机构。后来，唐太宗（李世民）为其父所修避暑的大明宫，唐玄宗（李隆基）又把自己当临淄王时的王府改扩建成了兴庆宫，三座宫殿合称“三内”。
东城西城分别有东市和西市两座市场，集中了长安城的主要商业。城内有四条沟渠提供生活和环境用水。城东南角有一座人工园林——芙蓉园，园中有曲江池。
唐长安城的形制是中国古代城市、尤其是都城建设的典范，在当时也影响了邻近国家的都城建设。
日本国的平城京和平安京、渤海国上京龙泉府都高度效仿了长安城的规划。
洪武二年（1369年），朱元璋改奉元路为西安府（西安这个名字第一次出现），并在唐长安城皇城的基础上，修建了西安城墙，留存至今，是中国现存最完整的一座古代城垣建筑。
明朝建国之后，朱元璋对于南京作为国都不甚满意，一直心怀迁都之意，他和太子朱标最钟意的迁都之选正是长安。
洪武二十四年（1391年），监察御史胡子祺上书，提到“据百二河山之险，可以耸诸侯之望，举天下形胜所在，莫如关中”。朱元璋顿时心动，但不形言表。经过仔细考虑后，他派太子朱标巡视关中，并告谕天下：“天下山川，惟秦中号为险固，向命汝弟（指朱元璋第二子秦王）分封其地，已十余年，汝可一游，以省观风俗，慰劳秦民。”其实已经颇有迁都关中的打算。
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