从唐代中叶一直到五代初期，大同称为云中县，为云州治。唐朝后期，李克用、李存勖父子以云州及其周边一些地区为根据地，逐渐发展壮大自己的势力，最终建立了五代十国时期的后唐，势力发展到河北一带，成为称霸北方的沙陀族王朝。

　　任何一个朝代都有其衰败到灭亡的过程，后唐也是。

　　后唐末帝时期，权臣石敬瑭拥兵自重，已不甘心居于人下，末帝李从珂看穿了石敬瑭的不臣之心，在公元936年五月以河东节度使、兼大同彰国振武威塞等军蕃汉马步总管、检校太师、兼中书令、驸马都尉石敬瑭为郓州节度使，进封赵国公。对于一个朝廷官员来说，能够封侯册公，应该也算是功成名就、光宗耀祖的事，然而关于后唐朝廷进封石敬瑭为公的事，无论对于皇帝李从珂还是石敬瑭来说，都应该是心照不宣，这明显使的是一招“调虎离山”的策略，是要把石敬瑭调离大同防线，让他离开多年经营的地盘，削弱他的势力，以便粉碎他别图的野心。石敬瑭一看这种情况，认为到了与皇帝决裂的时候了，于是便公然违背李从珂的人事安排，明确公开了自己叛乱的身份，并联合北方的辽一起对抗后唐。后唐皇帝当然不会善罢甘休，紧急任命晋州节度使张敬达为太原四面兵马都部署，集结重兵征讨石敬瑭。双方经过一段时间交锋，后唐大破石、辽联军。已经铁了心与朝廷干下去的石敬瑭这时已经没有退路，为了进一步得到辽的助力，他作出了一个十分令人不齿的决定，提出只要契丹扶助他推翻后唐朝廷当上皇帝，他便认契丹主耶律德光为父，同时承诺一旦事成献卢龙一道及雁门关以北诸州给契丹，岁贡帛三十万匹、黄金三十万两。耶律德光听了石敬瑭给出的条件，一下子兴致倍增，亲率五万铁骑，号称为三十万大军，从雁门关一带攻取太原地区，接着又与石敬瑭一起从晋阳向南攻入了洛阳，李从珂看到已经无力回天，大势已去，一把火自焚而死。这一年十一月，耶律德光与石敬瑭正式约为父子，胡子拉碴的石敬瑭成了小他十岁的辽太宗耶律德光的“儿子”，耶律德光也便册封石敬瑭为大晋皇帝，这就是历史上所称“五代”的后晋。第二年，石敬瑭履行割地的约定，将燕云十六州割让给了契丹。

　　云州归辽之后，由于其特殊的地理位置，重熙十三年（1044年），辽兴宗为了加强抵御西夏的能力，全面加强统治，将云州升为西京大同府，自此大同成为与上京临潢府、东京辽阳府、中京大定府、南京析津府具有同等重要地位的辽代五京之一。

　　辽西京大同府是在北魏平城旧址的基础上修建起来的，全城周长十公里，城墙上建有许多敌楼和箭楼，守御设施较为齐全。每面城墙各辟城门一座，东边的叫迎春门，南边的叫朝阳门，西边的叫定西门，北边的叫拱极门。城内，一条条齐整的十字街将居民区划成若干个坊。现在的华严寺所在地，当时叫做舍利坊。城的北半部是政治和军事中心，官衙和军营大多建在这里，全国最高学府之一——西京国子监则坐落于府治东南方。当时的西京留守兼大同府尹是大同最高的地方行政长官，衙署设在拱极门的西边。与府衙遥相对应的大同驿，建在拱极门的东边。当时为了加强西京的军事力量，辽在这里部署了不少军队，而这些军队的官员大多住在西京，因此西京城内还有许多边防官的府邸，比如西南巡察司、山北路都部署司等。这一座座富丽堂皇、金碧辉煌的官衙府邸，让当时的西京大同成为一座繁华、兴盛的城市。由于大同的战略地位比较重要，辽统治者特别重视，必须让亲王镇守，以确保国家西边门户的安全。辽与大宋的许多战争都是在西京大同附近发生的，比如流传甚广的杨家将的故事，许多就与大同有关。辽历代皇帝就曾先后共巡幸、狩猎大同十余次，其中，辽景宗耶律贤于乾亨四年（982年）秋八、九月两次巡幸大同，最后病死于大同城西的焦山行宫。

　　作为五京之一，大同随着政治地位的提高及辽王室的大力推崇，使原本就已十分发达的佛教文化出现了崭新的面貌，先后建设了一大批精美的佛教建筑，现存的仍有大同古城内带有皇室宗庙性质地位显赫的上下华严寺、高低错落主次分明的善化寺和分布在大同各县区的充分体现辽代佛教造像特点的观音堂、耸立山顶造型美观的禅房寺、体现辽代砖雕艺术珍品的觉山寺、通体砖砌全仿木结构的圆觉寺等等。

　　辽末天祚帝保大二年（公元1122年），大同为金兵攻陷。金灭辽后，同样对大同特别重视，仍置其为西京大同府。从金太宗完颜晟天会元年（1123）开始到，金哀宗完颜守绪正大三年（1226）结束，大同作为金西京时间长达103年。