公元前202年劉邦擊敗項羽。漢高祖原本想建都洛陽，後因婁敬建議定都關中，但群臣大多是從東方而來，紛紛反對，認為洛陽更好。於是劉邦徵詢張良，張良說：“洛陽建都的東周雖然比秦晉兩世好，但是城郭僅數百里，田地太薄。四面都是平地，容易遭受到攻擊。反觀關中有函谷關、隴蜀的沃野千里，南邊有巴蜀的富庶，北邊有胡人畜牧的便利，可以在三面防守，並向東方牽制諸侯，只要握住渭水通運京師。當東方有變，就可以順流而下。正所謂金城千里，天府之國。婁敬說的沒錯。”於是劉邦決意定都長安，並拜婁敬為郎中。賜劉姓。
漢高帝五年（公元前202年）置長安縣，高帝七年，定都於此。劉邦開始在渭河南岸、阿房宮北側、秦興樂宮的基礎上重修宮殿，命名為長樂宮。高祖七年（前200年）建造了未央宮，同一年由櫟陽城遷都至此，因地處長安鄉，故命名為長安城。漢惠帝元年（前194年）至五年（前190年）建造城牆。漢武帝設京兆尹治理長安，對長安城進行了大規模擴建，興建北宮、桂宮和明光宮，並在城西擴充了上林苑，開鑿昆明池，建建章宮等。
在西漢的200餘年歷史裡，長安一直是全國的政治、經濟和文化中心。自武帝時張騫出使西域，開通商道，長安城成為連線歐亞的橋樑、“絲綢之路”的起點，繁盛一時。全盛時期如漢平帝元始二年（2年）時，城中有萬戶，萬人，成為中國歷史上第一座規模龐大、居民眾多的城市。西漢末年王莽執政時期，長安城一度毀於戰火。至東漢光武帝劉秀定都洛陽，長安改為西京。及至漢末，漢獻帝曾遷都回長安。兩漢時期，長安一直作為都城存在。
漢長安城位於今西安市區西北郊外，面積約36平方公里，大約是同時期羅馬城的四倍。長安城有12座城門和8條主要街道，最長的街道長5500米。城內的宮殿、貴族宅第、官署和宗廟等建築約佔全城面積的三分之二。宮殿集中在城市的中部和南部，有長樂宮、未央宮、桂宮、北宮和明光宮等。其中未央宮是從漢惠帝開始的許多皇帝的居住和處理朝政的地方，是中國歷史上最有名的宮殿之一。居民區分佈在城北，劃分為160個“閭里“。市場在城市的西北角上，稱為“長安九市”。在城西有面積廣大的上林苑，苑內主要有昆明池、建章宮等。在城南有一組王莽時期建造的禮制建築。漢長安城一改戰國時期大小城相套的格局，把居民區、工商業區和宮殿區集中在一座城市裡，後世的都城都沿用了這一體系。
漢長安城城牆遺址基本完好，夯土層次分明，異常結實。根據實測，城的周長千米，合漢代近63裡，總面積約36平方千米，其中東牆長6千米，南牆長千米，西牆長千米，北牆長千米。用今天的地名來說，城的西北角在六村堡，東北角在三官廟，西南角在雁雀門，東南角在閣老門，範圍極為清晰。城的形狀為不規則的正方形，南部為宮殿區，北部為居民、手工業和市場區。城內槐、榆成蔭，松、柏茂盛，景色蔥鬱，十分壯觀。
漢長安城牆所以不規則，完全是受渭河、潏河、地形高低和未央、長樂宮位置的影響，並非有意把城修成“北斗星”和“南斗星”的形狀。北牆達6處曲折，與渭河的走向完全一致。西牆1處曲折，受潏河和未央宮的制約，南牆作直角形曲折，除受兩宮位置影響外，主要是為了把高地圈進城內。漢長安城的形狀完全受到地理條件的制約，因地制宜是修建漢長安城的基本原則。
長安城城牆每面各有三個城門，都城十二門。並對東牆的宣平門（東出北頭第一門，亦稱東都門）、霸城門（東出南頭第一門，亦稱青門），南牆的西安門（南出西頭第一門，亦稱平門）和西牆的直城門（西出南頭第二門，亦稱龍樓門），進行了發掘，證實每個城門都有三個門道，每個門道各寬8米。由各個