文物工作者通过对汉魏故城城垣的解剖、试掘，发现汉魏洛阳故城现存规模和形制不是某一时代的产物，而是经过长期的修缮和增筑活动才逐渐形成的。

      汉魏洛阳故城由宫城、内城、外郭城三重城圈组成。在内城，即汉至晋代洛阳城的中部，发现了时代最早的城址。其规模基本为方形，大致合当时的东西六里、南北五里，从掌握的材料看，其具体时代不晚于西周中晚期，这是汉魏洛阳故城建城的开始。时代稍晚的城址位于汉至晋代洛阳城的中部和北部，约为春秋晚期筑造，除北部为新扩部分外，南部沿用西周时期所筑之城，并略有修补或增筑。时代最晚的城址则是沿用西周、春秋晚期城址并向南扩大而成，其筑造年代约晚于东周，早于汉代。前期城址仍被沿用并有所修补。这时期的城址约南北九里、东西六里，已达到并形成了汉晋时期洛阳城的形制和规模。此期城圈在西汉至北魏历代均有修补或增筑，并被各代所一直沿用。由此可知，在汉晋洛阳城的城址上，至少有三个规模不同、时代各异的古代城址叠压在一起，而且每一时代较晚的城址都是在沿用前代的基础上，向北或向南扩大而形成新城的。

西周筑城
      文献中关于在洛阳在周代的营建，其间有两次大的城市建设高潮。一 次在西周开国之初，另一次则在春秋战国之际。通过对历史文献的研究和考古勘查发掘工作，已经确认，早在西周时期，这里已涌现出一座规模可观的城址，为汉魏洛阳故城建城之始。
       关于西周初年营筑洛邑一事，《尚书》、《逸周书》、《史记》等文献资料及出土青铜器铭文皆有记述。周武王灭商以后，产生在黄河以南、伊洛一带的“有夏之居”建都的想法，并初步“营周居于雒邑而后去”[2]  。二年后，周武王病死，其子成王继位，周公辅政。据《尚书·召诰》记载，为了实现武王在洛邑建都的遗愿，成王派太保召公到洛邑察看地形，具体规划建都的地址。召公在途中走了半个月，三月初五到达洛邑。初七日，召公指使殷民在洛水北岸规度城郭、宫室、郊庙、朝市的位置，到十一日规划完成[3]  。第二天，周公到达洛邑，全面视察了新邑，并且进行了占卜，在涧水东、湟水西之间和德水东的洛水之滨营建新邑，皆卜兆大吉。于是周公便把营建洛邑的地图和卜兆呈送给成王，得到成王的赞许批准后，于十四、十五日，杀牛、羊、猪等牺牲，在新邑立庙祭地。又过了七天，周公向各诸侯国民和殷民颁布命令，之后命令殷民开始大举动工，经过八九个月的兴建，年底成周城便告建成。
东周建都洛阳王城，周敬王为避王子朝之乱迁都于成周城，因其城小，晋率诸侯扩而大之，称为“成周”，共历经周敬王、周元王、周贞定王、周哀王、周思王、周考王、周威烈王、周安王、周烈王、周显王、周慎靓王11帝，合205年。

秦朝扩增
       秦有天下，封吕不韦“文信候”，食洛阳10万户，再次扩修洛阳城。秦时在河南设三川郡，洛阳为三川郡的治所[6]  ，也是秦都咸阳通往东方各地的要道。因吕不韦扶立秦王子楚有功，被封为丞相，又加封为文信侯，食洛阳十万户。吕不韦再次扩大了洛阳城。这与考古勘探发现的城址南部的增筑扩建情况相符。这次扩建在汉魏洛阳城形制发展史上有重大意义，城市的形制又一次发生变化，达到了东西六里、南北九里的规模，俗称“九六城”。东汉、曹魏、西晋国都洛阳城以及北魏洛阳都城的内城，即是在这个城址基础上修建沿用的。也就是说，汉晋洛阳城形成规模是在秦代。
西汉时期
西汉时期，汉高祖五年，天下大定，诸侯臣属，刘邦定都洛阳[8]  ，并于洛阳南宫置酒论诸侯[9]  ，高祖本想长期定都洛阳，但因齐人刘敬及留侯张良劝说，刘邦遂入都关中[10]  ，而改三川郡为河南郡。西汉时期的洛阳城基本沿用了秦代的城市规模，未有大的增修活动。从该城的早期沿革可以看出，汉魏洛阳故城是公西周城址、东周成周城、秦代三川郡和西汉初年洛阳城的基础上逐渐建立和发展起来的。

东汉时期
      东汉从建武元年（公元25年）汉光武帝定都洛阳后，开始了165年的统治经营。建武元年（公元25年），刘秀于郁（今河北柏乡）即皇帝位，沿用汉的国号。同年冬十月，刘秀定都于洛阳。汉崇火德，刘秀定都洛阳后，认为“洛”字的三点水不利于他的火德，因火遇水则灭，于是他把“洛”去水，洛阳’变成“雒阳”。刘秀在洛阳大兴土木，起高庙，建社樱，修官室，立太学、明堂、辟雍、灵台于南郊。刘秀还进行了一系列政治改革，特别是连续6次颁布释放奴婢的记令，部分解决严重的土地兼并问题，改善了农民的处境。农民的生产积极性提高，社会经济逐步恢复和发展，历史上称为“光武中兴”。东汉自光武帝定都洛阳，先后有光武帝（秀）、汉明帝（庄）、汉章帝（旭）、汉和帝（肇）、汉殇帝（陡）、汉安帝（访）、汉顺帝（保）、汉冲帝（炳）、汉质帝（绩）、汉桓帝（志）、汉灵帝（宏）、汉少帝（辩）、汉献帝（协），共13帝，达196年之久。
       考古发现的晋城址平面呈不规则长方形，夯筑城墙厚14～25米。西城垣长约3500米，北城垣长2523米，东城垣长3895米，南城垣早因洛河改道而冲毁。12座城门中夏门保存最好。城里的大街与城门相通，据钻探结果，南北向和东西向的大街各有5条。城内主要建筑是坐落在城南部的南宫和北宫，南宫是南北长1300米，东西宽1000米的长方形。北宫南北长约1500米，东西宽约1200米。此外，北宫东北靠近上东门处还有永安宫，城西北则有皇家的宫苑濯龙苑。最高的行政机构如太尉府、司徒府和司空府在南宫的东南，靠近旄门和开阳门；而储存粮食和兵器的太仓、武库则建在北宫的东北。城内东北角即上东门附近居住着达官贵族，平民百姓多生活在城外靠近城门的地方，工商业区有金市、马市、羊市。礼制建筑辟雍、太学、明堂和灵台位于城南。辟雍平面为方形，边长170米，四面各有一门，中心是边长45米的方形夯土殿基，殿基南曾出土晋辟雍碑。辟雍遗址东北的一处遗址，曾出土过汉魏石经残块，可能是东汉以来太学的遗存。明堂遗址在辟雍遗址西侧，平面亦呈方形，边长240米，中心为直径60余米的圆形夯筑殿基。灵台在明堂西侧，是我国发现最早的天文观测台遗迹，边长220米，中心是边长50米的方形夯土台基。南郊还发现了东汉时期被征调到都城洛阳来服役的刑徒墓地，数十人骨骸留有被砍击和刺杀的创伤。墓中用废砖刻写姓名、部属和刑名，是研究东汉的法律和刑徒问题的重要资料。

魏晋时期
       东汉初平元年（公元190年）董卓胁迫汉献帝迁都长安，焚洛阳宫庙及人家，繁华的洛阳城，遭到了彻底的破坏。
       黄初元年（220年），曹丕称帝建魏，定都洛阳，魏主土德，水得土乃流，土遇水则柔，故改“雒阳”仍为“洛阳”。土乃黄色，因此定年号为黄初，由此开始了对东汉雒阳城的新建与重建。魏文帝曹丕时修复了北宫的部分建筑物，魏明帝曹叡大兴土木，在东汉南宫崇德殿的旧基上建太极、昭阳诸殿，又增饰芳林园等。曹魏政权重点修复北宫，起太极殿，采取了单一宫制，即宫城位于全城中轴线北端“居中建极”。居中建极的宫城上应北极星，这是中央集权得以强化的表现。单一宫制意在树立中央皇权的绝对威信，改变了中国历史上两宫并置的模式。
曹魏又将东汉旧城北城墙加厚至30米左右，并在西城墙北段、北城墙外侧增筑马面，改建大夏门，其意恐在于加强宫城的防卫。而城内高台、城墙、马面、护城河等完备防护体系的形成，则标志着它的成熟。
       最重要的是，魏文帝曹丕在洛阳城西北隅兴建百尺楼，随后魏明帝曹散扩建成军事堡垒——金墉城。金墉城由南北排列的3个小城堡组成，南北长1048米，东西宽150～255米。城墙版筑而成，墙外侧筑有城垛。城东、北、西三面有护城河环绕。最新发掘表明，金墉城的3个小城堡是不同时期建造增扩的产物，只有南面的城堡才是魏明帝创建的金墉城。
曹魏历魏文帝（丕）、魏明帝（睿）、齐王（芳）、高贵乡公（髦）、魏元帝（奂），共都洛46年。
西晋也以洛阳为国都，但洛阳城的形制和布局没有大的改变。永嘉五年（公元311年），匈奴族的刘聪率军攻入城内，洛阳城再次成为灰烬。

北魏时期
      180余年后，洛阳城为北魏的国都。北魏孝文帝在太和十九年（公元495年）迁都后即开始了大规模的营建，宫城、内城、外郭城组成的都城使这里达到辉煌的顶峰。宫城位于东汉北宫故地，在内城偏北部的中央位置，南北长1398米，东西宽660米。除北墙不甚明确外，其他三面宫城城墙尚存。发现宫门4座，正南门阊阖门门洞宽达46米，足见规模之宏伟。宫城内夯土台基密集，宫廷建筑均集中于此。闾阖门正北东西100米南北60米的长方形宫殿基址，是宫城正殿——太极殿，为全城的中心。内城沿用汉晋洛阳城的城垣，城门略有变更。城内街道更加规整，东西大道基本贯通内城，其中东阳门至西阳门的大道是内城的重要分界，道路以北地势较高，分布宫城、园囿、武库、太仓等；道路以南主要有衙署、庙坛、寺院和贵族宅邸等。宣阳门内通达官城正门的铜驼街，位于全城中轴线上，宽约42米。街道两侧是中央官署以及太庙、太社、国子学遗迹。自宫城的太极殿，经阊阖门沿铜驼街抵宣阳门，过洛水上的永桥至南郭城外圜丘，构成了北魏洛阳城的中轴，虽在内城略偏西处，但基本上使宫城处于居中位置。所以北魏洛阳城总体布局体现了帝王之居建中立极、官府外设、左祖右社的封建都城建筑原则。[12]  外郭城内主要由普通百姓居住，划分的区域整齐严密，称为里或坊。考古发现外郭城东、西二垣各距内城3500米，北垣距内城850米，至此洛阳城的东西宽度和南北长度皆达10公里，成为我国古代史上规模宏大的城市之一。文献记载北魏洛阳城有佛寺1300余座，经过考古探查的只有建于北魏熙平元年（公元516年）的永宁寺1处。寺院遗址位于宫城南门西南，平面呈长方形，周长1060米，方形塔基出土的遗物主要是与佛教有关的泥塑。
      永熙三年（公元534年），北魏王朝瓦解，这里再次沦为一片废墟，从此告别了都城的辉煌。汉魏洛阳城留下的四朝都城的遗迹，再现了随着城市范围的扩大，城市布局所发生的根本性变化：东汉至晋代，宫殿区经历了由相对分散的南北宫制向集中于城区北中部的单一宫制转化；北魏时城区扩大，汉晋洛阳城变成了内城，大部分被宫城、宗庙和中央衙署所占据，已具备了某些后世皇城的性质，外郭城内则成为主要居民里坊区和工商市场所在地。这种宫城、内城、郭城三重城垣的布局成为此后历代都城的宫城、皇城、郭城布局的祖型。就这样，汉魏洛阳城如同在烈火中涅檠的凤凰，随着“城头变换大王旗”的朝代更迭，历经修建、焚毁、重建、焚毁、再重建，形成了古代都城的基本格局，对隋唐时代及以后的都城产生着深远的影响。
      在东汉、曹魏、西晋、北魏相继定鼎的数百年里，汉魏洛阳故城在发展过程中有两次引人瞩目的变化：一是三国魏时修建洛阳官，并在大城西北隅修建了一座具有离宫性质的小城——金墉城；二是在北魏宣武帝时兴建外郭城并筑坊320。这两次建设尤其是后者，不但在我国都城建设史上有着承前启后的重大意义，而且奠定了汉魏洛阳故城今天的规模：南北长10公里，东西宽10公里，面积100平方公里。如此规模，使汉魏洛阳故城成为我国甚至世界历史上最大的古代都城。
北魏历孝文帝（宏）、宣武帝（格）、孝明帝（诩）、孝庄帝（子攸）、节闵帝（恭）、孝武帝（修），以洛阳为都共42年。
此后，在北周宣帝时，以洛阳为西京，又调兵大修洛阳宫、常役使4万人。将邺城六府迁于洛阳，又将原迁邺的太学石经迁回洛阳。据《周书·宣帝纪》记载：“其规模壮丽，逾于汉魏远矣。”但因时间短促，皆未完成。
       至隋统一全国，隋炀帝在洛阳另辟新址，大规模营建东都洛阳。历史上曾经辉煌的汉魏洛阳城失去了往日悠久的正统地位。唐贞观六年（公元632年），洛阳县与河南府的治所从金墉城迁到东都毓德坊。从此，数百年锦绣帝都汉魏洛阳城逐渐沦为废墟。