戰國，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，復舊。建安末年廢，

三國，魏復置，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。抗日戰爭時期分置東、西大同縣，分屬晉察冀邊區與晉綏邊區。抗日戰爭勝利后復為一縣。

1949年，屬察哈爾省。

1952年，復歸山西省。

1954年，與懷仁縣合并為大仁縣，縣政府駐大同市城區。

1958年，大仁縣并入大同市，以之置郊區，區政府仍駐大同市內。

1960年，以原大同縣置古城區。

1964年，復為大同縣，屬大同市。

1965年，改屬雁北專區。

1967年，屬雁北地區。

1971年，與大同市分治，縣政府遷駐西坪鎮。

1993年，撤銷雁北地區，縣改屬大同市。

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

2018年2月9日，國務院批復撤銷大同縣，設立大同市云州區。