继而代之的汉朝，西汉建都长安，东汉建都洛阳。
刘邦于公元前202年得天下，建立西汉王朝，建都于关中渭水南岸的“龙首原”，即今西安市之西北。据《三辅黄图》记载：“高祖（刘邦）七年（前200）方修长安宫城。”长安之名乃当时所立，取“长治久安”之意。城内有两座大型宫殿长乐宫和未央宫。长乐宫利用秦之兴乐官改建；未央宫是由萧何主持新建的，规模宏大。
汉长安城形状不甚规则。城周长25.1公里，城面积达35平方公里，为当时世界上第一大城（罗马仅13.68平方公里，拜占廷仅11.99平方公里，而且建城年代均比汉长安晚）。据史料记载，此城之形状是有意识不规则的，“城南为‘南斗’形，北为‘北斗’形，至今人呼汉京城为斗城是也”。不过实际上还是由于地形上的影响。
汉长安的城墙，每边有三座城门。共十二座城门。从东城墙北起，宣平门、清明门、霸城门；南城墙东起，覆盎门、安门、西安门；西城墙南起，章城门、直城门、雍门；北城门西起，横门、厨城门、洛城门。城门设计依照严格的规制，均辟有三个门洞，门洞前建有跨越城壕的石桥。
长安城内街道宽畅，大道笔直而平坦，宽度达45米左右。每条大道又分三条平行的道路，与城门的三洞对应，中间为驰道，供皇帝行，百姓及官吏只能走边道。道路之间有排水沟，路两旁植行道树槐、杨、柏等。这种壮观场景，可想而知。
西汉末年王莽篡位，城内大乱，一代风流的京城，从此衰落。后来东汉刘秀称帝，眼看长安受战乱破坏，面目全非，故弃之而择东都洛阳为都城。但长安在东汉时作为“西京”，稍有恢复。最受灾难的是东汉末年的“董卓之乱”，长安城之破坏，几乎是毁灭性的。后来西晋文学家潘岳在《西征赋》中，记述了当时长安的凄凉场景。到了隋代，本欲建都于此，但眼见此地一片瓦砾残垣，所以只好放弃汉长安之地，在其东南面另建都城，名为大兴城。
公元25年汉光武帝定都洛阳，始为东汉，年号建武。次年建高庙，造社稷坛，在城南立郊兆，后则起南宫前殿，起明堂、灵台、辟雍，造诸官府，后来又建北宫等，大国都城面貌始备。东汉洛阳的都城格局与周王城有些不同，主要是在南北宫的建制上。据记载，“城东西六里十一步，南北九里一百步”。城四周12个城门外，均有巍峨的双阙。双阙是门前两侧竖立的高楼，作为望用，但更是表现庄重的中轴线的一种建筑形式。相传东汉时南门朱雀门前的双阙，在四十五里外的偃师就能望见。
洛阳既为东汉都城，则城市宫廷市井，辉煌而且有序。城内有大街24条，每条大街均植行道树、设排水沟，城市形态及设施，称得上是当时世界一流的。城内南北二宫，气度非凡。当时文学家班固有《东都赋》，如此描述洛阳：“增周旧，修洛邑。扇巍巍，显翼翼。光汉京于诸夏，总八方而为之极。于是皇城之内，宫室光明，阙庭神丽。奢不可逾，俭不能侈。外则因原野以作苑，填流泉而为沼。发苹藻以潜鱼，丰圃草以毓兽。”
东汉社会与外界交往增多，其中以西域文化东渐为最主要。随着商贾贸易的往来，西域文化通过河西走廊入京者渐多，其中要数佛教文化为最。汉明帝时，有两位天竺（印度）高僧前来洛阳宣传佛法，译佛经，佛教也从此在中国落根。东汉永平十二年（68），在洛阳建白马寺，为中国的第一座佛寺，后来越建越多，崇佛之风大盛。洛阳城中，佛寺佛塔不计其数。详见北魏杨街之所著的《洛阳伽蓝记》。这些建筑形象，也给洛阳都城形象增添了不少新的景观。
“人事有代谢，往来成古今”。显赫一时的都城洛阳，200年后，到了东汉初平元年（190），董卓挟持汉献帝西徙长安，“收诸富室，以罪恶诛之，没收其财产，死者不可胜计；悉驱徙其余民数百万口于长安，步骑驱蹙，更相蹈藉，饥饿寇掠，积尸盈路。卓自留屯毕圭苑中，悉烧宫庙、官府、居家，二百里内，室屋荡尽，无复鸡犬”。洛阳城几乎洗劫一空，成为一堆废墟。后来到北魏、西晋时期，才渐渐开始复兴。