大同春秋时为北狄所居。
战国时，初为代国，后并入赵地，赵武灵王胡服骑射，筑长城，置云中、雁门、代郡。
其地为雁门郡，东属代郡。
秦始皇二十六年(前221)为雁门、代郡之地。
拓跋珪于公元398年自盛乐迁都平城，改号皇帝，改元天兴，并置司州代尹，治代都平城。
北魏在平城建都长达97年，历经六帝七世。
北齐天保七年(556)改北恒州为恒安镇(今大同)，天宝元年(742)改云州为云中郡。
咸通十年(869)置大同军节度。
辽重熙十三年(1044)改云州为西京，设西京道大同府。
重熙十七年(1048)析云中，置大同县，为辽之陪都。
元至元二十五年(1288)改西京道大同府为大同路。
明洪武二年(1369)改大同路为大同府。
永乐七年(1471)置大同镇。
雍正三年(1725)置朔平府，右玉、朔州、左云、平鲁划归。
大同府治大同县，辖浑源州、应州、大同、怀仁、山阴、阳高、天镇、广灵、灵丘7县和丰镇厅。
1912年大同废府留县。
1914年置雁门道，道尹公署驻大同县。
1927年废道后，大同县直属山西省，县辖5个行政区。
1937年10月15日成立伪“晋北自治政府”，隶属伪“蒙疆联合委员会”，统辖雁北13县；1940年7月，晋东北设两个专区。
1943年2月又改为伪“大同省公署”，隶属伪“蒙疆自治邦政府""。
1945年8月日本投降，同年11月成立察哈尔、热河两省，县级政权恢复抗日战争前䢖制。
1947年秋，冀晋区和察哈尔省合并为北岳区。
1948年晋绥边区五专区：辖大同、怀仁、山阴、朔县、左云、右玉、平鲁7县(另辖绥南3县)。
1948年12月，五专区改为雁北专区。
1949年5月1日大同和平解放，析大同城、郊置大同市，隶属察哈尔省，大同市分5个区。
1949年10月，东、西雁北合并，划归察哈尔省，设雁北专署，属县有：灵丘、广灵、浑源、应县、山阴、大同、怀仁、朔县、平鲁、右玉、左云。
1952年12月大同市辖一、二、三区和口泉矿区。
1954年7月大同县与怀仁县合并为大仁县。
1958年6月市隶属雁北专区。
1959年1月23日雁北与忻县合并为晋北专区，大同市隶属晋北专区。
雁北合并为6个县：阳高、浑源、灵丘、左云、山阴、朔县。
1961年7月24日晋北专区撤销，大同市复归雁北专区领导，辖城区、口泉区、古城区、怀仁区。
同年11月复归山西省直辖。
1962年雁北又恢复13个县的设置，1964年11月撤销古城区、怀仁区，恢复大同县、怀仁县。
市辖两区、两县。
1965年7月将大同、怀仁二县划归雁北专区。
1966年2月将城区、口泉区所辖农业区划出，成立郊区，大同市辖三个区。
1970年4月，大同市划归雁北领导，9月建立矿区，10月成立南郊区、北郊区和口泉镇。
1971年北郊区改为新荣区。
1972年3月复为省辖市，辖城区、矿区、南郊区、新荣区4个区。
1989年1月，朔州市成立，雁北管辖的平鲁、朔县、山阴划归朔州市。
1993年7月10日雁北地区撤销，地市合并，怀仁、应县、右玉三县划归朔州市，将天镇、阳高、广灵、灵丘、浑源、左云、大同7县划规大同市，实行市管县。
大同市辖城区、矿区、南郊区、新荣区4区7县。
2018年2月9日国务院同意山西省调整大同市部分行政区划，同意撤销大同市城区、南郊区、矿区，设立大同市平城区、云冈区；同意撤销大同县，设立云州区。
至今大同市管辖四区六县，平城区、云冈区、新荣区、云州区、浑源县、灵丘县、广灵县、阳高县、天镇县、左云县。