大都城开城门11座，其中东、南、西三面各三座，北面为两座。东面三门由北向南依次为：光熙门、崇仁门，齐化门；西面三门由北向南依次为：肃清门、和义门、平则门；南面三门中：丽正门居中，顺承门在西，文明门在东；北面两门中：健德门在西，安贞门在东。

洪武元年八月（1368年），明将徐达攻陷元大都，太祖改大都为“北平”。由于元顺帝不战而逃，元大都城未受炮火而完整保存。当时明军新胜而大都城大不利防守，徐达遂在北城墙南面5里（实2.8公里）处建起新城墙，放弃原北城墙土地；同时以砖包砌城墙，“以固其坚”。洪武四年（1371年）后，元大都的北城墙被废弃，夯土外露，被称为“土城”，原北城墙上的安贞门和健德门，以及东、西城墙上最北边的光熙门和肃清门也因此废弃（元大都土城现存北段、西段城墙遗迹和护城河遗址，肃清门瓮城土墙南半部遗迹也清晰可见）。

洪武三年（1370年），太祖朱元璋封四子朱棣为燕王，就藩北平城。建文元年（1399年），朱棣发动靖难之役，并于建文四年（1402年）夺位，次年改元永乐（1403年）。永乐四年（1406年）朱棣改北平为北京，开始筹划迁都。其时，北平城只是北平布政使司首府和藩会，城池规制稍嫌简狭，不利于对蒙古余党的防守，也不符合帝都之规格。此为明代北京城营建的初衷。

永乐四年（1406年）开始，明成祖朱棣实施了一系列扩建北京城的计划：当年，在原北平燕王府的基址上营建西内；永乐七年（1409年）开始营建昌平天寿山长陵，示天子戍边以发民筑城；九年疏浚会通河，十三年凿清江浦，使运河连贯畅通，保证建设的物资与粮食供给；永乐十四年（1416年）起，摹仿南京皇宫营建北京宫殿。十八年（1420年），建成紫禁城宫殿、太庙、太社稷（中山公园）、万岁山（景山）、太液池（今北海、中海）、十王府、皇太孙府、五府六部衙门和钟鼓楼，同时将城墙南段南移800米（0.8公里），以修皇城墙。永乐十九年（1421年），朱棣正式迁都北京。迁都后在南郊修建了天地坛（天坛）和山川坛（先农坛）两祭坛。有资料认为明成祖将北京城的中轴线东移百五十步，以魇镇前朝王气。

明英宗正统元年至十年（1436年至1445年），英宗朱祁镇对北京进行了第一次增筑，工程包括：将城墙全部用砖包砌；于九门上增建城楼，增筑瓮城、箭楼；城池四角增建角楼；各门内道立牌坊一座；护城河上木桥全部改砌为石桥，桥下加设水闸，河岸亦用砖石铺造驳岸；在京北设昌平城、拱极城（宛平城）二城，与北京城互为犄角；加设内长城等拱卫。整修后的京师内城墙周长45里。持续近十年的一系列增筑使北京城形成了坚固的城防体系。

明世宗嘉靖时期，世宗朱厚璁对北京进行了第二次增筑。明朝后期，正阳门外聚集的人口增多，嘉靖三十二年（1553年）给事中朱伯辰上书陈说城外人口激增，应添修外城防护外族侵扰，时北京城郊尚遗有金、元故城“周可百二十公里”，“增卑补薄，培缺续断，可事半而功倍”。这与中国古代城市“内城外郭”的重城制相吻合，因此嘉靖帝下诏增筑。后财政拮据，著名权臣严嵩巡视后提出先筑南面城墙，待财力充裕再“因地计度，以成四面之制”，于是将北京城南已经筑起的一面城基，“东折转北，接城东南角；西折转北，接城西南角”，外城自嘉靖三十二年动工，当年十月完工，三面城墙全长28里，从而形成了北京城池“凸”字形的格局。

清代北京城基本沿袭了明代北京的格局，对皇城内规制有所裁撤，将明代皇城内的大量内廷供奉机构改为民居，同时将内城大量的衙署、府第、仓库、草厂也改为民居。将内城划作满城，内城成为八旗专属居住区，令汉人统统迁往外城居住。清朝还在北京城内添建了大量黄教寺庙、王府，并在西郊修建三山五园等皇家园林。城池的设施、形制在清乾隆年间达到鼎盛。后清人再未对北京城池布局进行过改动，北京内外城“凸”字格局自明嘉靖后一直延续了近500年，再没有变动。

明清时期皇帝非常重视北京城池的保护和修葺，城墙上不得任意增开豁口，城楼、箭楼、雉堞、墙面砖体如果发生破损、塌陷和酥裂起鼓，都要及时进行维修。

据史书载，明末李自成撤离北京时，除焚烧紫禁城三大殿外，各城城楼也被放火焚毁，这是有记载的第一次对北京城池有计划的破坏（不过1960年代拆除城楼时发现，东直门和崇文门仍为明朝原构）。1900年义和团之乱时，正阳门箭楼被拳民焚毁，城楼被印度士兵焚毁；朝阳门箭楼、崇文门箭楼分别被日军和英军击毁；内城西北角楼被俄军击毁。这一年，英军扒开永定门西侧的外城城墙和天坛坛墙，将京奉铁路终点由城外马家堡延伸至天坛内（时为英美司令部）。这是北京城墙第一次被扒开豁口。1901年，英军又扒开了永定门东侧的外城城墙，将铁路终点东延至正阳门东侧，即后来的正阳门东火车站（前门火车站），以便使馆人员战乱时撤至天津。此外英军还将东便门南的外城东城墙扒开，修建了通州至东便门的铁路线。

1553年（明朝嘉靖三十二年）间增筑。又称“国城”、“外郭”。城墙长28里，高7.5米至8米，底宽约12米，顶宽约9米。东南角因避让水洼而向内曲折，被附会为“地陷东南”。

嘉靖二十八年筹划重修外城时，最初的构想为在各城门外修建关厢子城，从而形成大城居中、九座子城拱从的奇特布局。后改为环城修筑外廓，南面将天坛南墙包入，然后东西两路向北（位置大约在内城城墙外2000米处），至洪武除年被废弃的元大都土城的东垣和西垣南端，然后从土城取土，修建北面、东北和西北三段城墙。外城总长度预计在120里左右，与内城构成“回”字形布局，辟门十一座，南、东、西各三座，北面两座。

1550年（嘉靖二十九年）开始修筑前三门外的关厢城（三座独立于城门之外的小城），但由于需要拆毁的店铺民房甚多，民情汹惧，工程不久停止。1553年（嘉靖三十二年）又决定利用元大都土城遗址，四面环绕修筑京城外郭城。最初规划的外城长七十里，东西十七里，南北十八里，设城门十一座、敌台一百七十六座，西直门外和通惠河设置水闸两处，其它低洼地带设置水关八处。由于工期浩大，在严嵩建议下，改为先修筑南面城墙，将正阳门外的大片繁华市区包入。此议得到嘉靖帝的许可，外城工程于嘉靖三十二年闰三月开工，同年十月南段竣工。后因用兵频繁，加之嘉靖三十六年（1557年）紫禁城大火使明廷集中财力物力重建宫殿，外城一直没有再筑。嘉靖四十五年（1564年）增筑外城各城门的瓮城。

北京外城三面长28里（14.409公里），呈东西宽、南北窄的扁长形，辟七门，四角建角楼四座。城墙内为夯土，外包砖石。外城城墙外层包砖1米左右，多为明代大城砖，内层包砖0.7米左右，多为清代小城砖。外城通高6至7米，顶厚10至11米，基厚11至15米。西段城墙最窄，顶厚平均为4.5米，基厚7.8米。

外城城墙、城门和角楼于1951年至1958年陆续拆除。

北京外城共有七门，南面三门，东西各一门，此外还有两座便门。外城的城楼都比内城矮小。最高大的是位于中轴线最南端的永定门，城楼约高20米，为重檐歇山顶，面阔7间，进深3间，于正阳门遥相呼应。其次是广宁门（现名广安门），该门只是比永定门矮了一点。广渠门、左安门、右安门都是单檐歇山顶一层的城楼，高度仅15米左右，东便门和西便门形制更小。

外城城门于明代建成后只有瓮城，直至乾隆时期才增筑箭楼。与城楼相同，外城箭楼的形制也比内城箭楼更小。永定门箭楼正面有两排箭孔，每排7孔，左右两侧两排箭孔，每排3孔，共26个箭孔。箭楼的后面没有抱厦，只有一道门。而广安、广渠、左安、右安四门又次之，只设22个箭孔。东便门和西便门最小，只有8个箭孔。与内城瓮城不同的是，外城瓮城城门均设在箭楼下，与城门门洞在一条直线上，且瓮城内无关帝庙。

北京内城又称“京城”、“大城”。东段和西段的大部分为元大都城墙，北段和南段修筑于明朝洪武、永乐年间。城墙为夯土筑成，内侧和外侧均包城砖。通高12至15米。内城城墙的北段和南段厚度大于东西段厚度，平均底厚19至20米，顶厚16米，上有女墙。内城有城门九座，角楼四座，水门三处，敌台一百七十二座，雉堞垛口11038个。城外有宽30-60米的护城河。

明清时期的北京城防体系由城墙（包括箭楼、角楼、敌台等附属建筑）、护城河和驻守部队组成。

明朝时，在京师及周围地区常驻的部队称京军（或称京营），分为五军营、三千营和神机营，皆创建于永乐朝。三营又分为七十二卫，编为中军，左掖军、右掖军，左哨军、右哨军等共“五军”。京军主要驻扎在德胜关外（即元大都土城健德门遗址）以西，部分部队驻扎在京畿近郊，如南苑、通州、卢沟桥、昌平皇陵和居庸关等地 。明英宗土木堡之变后京军覆没，于谦改为从诸营中选取精兵约十万，编为十营团练（明宪宗时改为十二营），其统帅机关分别设在内城的东官厅和西官厅，并在内城和外城设多处教场，供驻扎及操练之用。皇城和宫城的守卫工作亦由五军、三千、神机三营担任，后增设锦衣卫、腾骧卫，指挥官包括“锦衣卫大汉将军”、“红盔将军”、“明甲将军”、“把总指挥”等名目，在皇城内设置“红铺”，驻兵拱卫。明制城门晨启晡闭，城门关闭之后人不得随意进出（玉泉山水车除外）。夜间城内街道上有巡城兵丁，禁止庶民犯禁闯夜，一些主要街道上还设栅栏阻断交通。城墙上平时不驻军，遇敌军来袭、兵薄京师时，方登城守卫。 明朝中叶以后，蒙古和后金军队多次攻抵北京城下，京师多次宣布戒严，关闭城门，严禁人员出入。元大都土城明时仍为京师的辅助防线，俺答之变时，在土城（尤其是改名“德胜门外土关”的健德门附近）仍有明军驻守。

清朝时期，北京驻军主力为骁骑营（旗营），分区驻扎于北京内城：镶黄旗在安定门内，正黄旗在德胜门内，正白旗在东直门内，镶白旗在朝阳门内，正红旗在西直门内，镶红旗在阜成门内，正蓝旗在崇文门内，镶蓝旗在宣武门内。各旗均拨有官厅、营房和堆拔房（哨所）。除骁骑营外，北京城防驻军还包括前锋营、护军营、步军巡捕营、健锐营、火器营、神机营（咸丰十一年设）、虎枪营 此外，自雍正朝起，在圆明园至香山一带设有圆明园八旗护军营，以拱卫御园。 内城九门中，除正阳门外的八门也按照这一分布由八旗士兵各自防守，由满洲、蒙古和汉军士兵分值。但是城门领（负责城门守卫工作的军官）则由其他旗的军官担任：安定门首领为正蓝、德胜门首领为镶蓝、东直门首领为镶白、西直门首领为镶红、朝阳门首领为正白、阜成门首领为正红、崇文门首领为镶黄、宣武门首领为正黄旗人。正阳门由八旗轮值。外城七门中，镶黄旗汉军值东便门，正黄旗汉军值西便门，正白旗汉军值广渠门，正红旗汉军值广安门，镶蓝、镶白二旗汉军值左安门，镶红旗汉军值右安门，正蓝旗汉军值永定门。雍正六年，在内城各城门（除正阳门外）建八旗值房，每座城门均为营房四百六十间、守门班房九十间、更房十五间，共计三千六百八十间。此外在城外还有一万六千间营房供八旗兵丁居住，每旗分配两千间，满洲兵一千五百间，蒙古兵五百间。此外在内城城墙上还设有堆拔房一百三十五所，其中一百零六所内贮旗帜、火炮、火药、火枪。乾隆十年，在内城九门城楼附近又增盖房屋二百四十一所，每所三间。外城城墙上，原有外城巡捕三营官兵的自建土坯住房，乾隆时期多已倾塌，因此在乾隆十年增设外城堆拔二十八处、八旗营房三千六百一十六间。 清朝时期，骁骑营八旗守军一般不在城墙上居住，而是居住在城门内外，以便防守。只有皇帝出宫前往圆明园、天坛等地时方登城扈卫。惟宣武门上常驻守城兵丁，每日午时发射信炮（午炮）

明清城池的守卫武器包括火炮、火铳、弓箭等。在崇祯二年（1629年）后金军队攻打北京、以及崇祯十七年李自成军围攻北京时，城墙上的明朝守军都曾发炮还击。清朝时期，在第二次鸦片战争中，因北京城防森严，已进抵京北德胜门至安定门一线的英法联军放弃攻打北京城的企图，转而攻打圆明园和海淀。在1900年8月13日至15日八国联军攻打北京的战役中，北京城池也体现了极强的防御作用。根据联军记载，清军守城部队凭借满城（内城）城墙高大宽厚的优势，在墙上居高临下向攻城军队射击。俄军和日军试图用火棉炸毁东直门、朝阳门的城门，但试图点燃引信的士兵多次被墙上守军击毙。此外，北京城池的瓮城、敌台、角楼在此役中也协助清军构建了多处强大的火力阵地，例如8月13日夜间，俄军虽然攻破东便门箭楼城门，但在瓮城内仍遭到清军火力夹击，无法前进，直至14日上午援军到来才夺下东便门城楼。甚至在联军攻破外城和内城后，皇城的城墙城门仍起到了一定的防御作用。8月15日清晨美军使用火炮轰击天安门城门，竟未轰开，后用日军工兵送来的云梯登城，方能夺占。 此外，在1937年7月25日的“广安门事件”中，驻丰台的日军一个大队（营）以“护侨”和“保护东交民巷使馆区”为由开入北平城，在其车队进入广安门时，防守城门的20余名中国军队用机枪居高临下对其予以狙击，迫使日军放弃进入北平城的企图，证明北京城池在现代战争中仍有重要的防御意义。