早在西周初年，周武王即封召公于北京及附近地區，稱燕，都城在今北京房山區的琉璃河鎮，遺址尚存。又封堯之后人于薊，在今北京西南。后燕國滅薊國，遷都于薊，統稱為燕都或燕京。
秦代設北京為薊縣，為廣陽郡郡治。
漢高祖五年，被劃入燕國轄地。元鳳元年復為廣陽郡薊縣，屬幽州。本始元年因有帝親分封于此，故更為廣陽國首府。
東漢光武改制時，置幽州刺史部于薊縣。永元八年復為廣陽郡駐所。
西晉時，朝廷改廣陽郡為燕國，而幽州遷至范陽。十六國后趙時，幽州駐所遷回薊縣，燕國改設為燕郡。歷經前燕、前秦、后燕和北魏而不變。
隋開皇三年（583年）廢除燕郡。大業三年（607年），隋朝改幽州為涿郡。
唐初武德年間，涿郡復稱為幽州。貞觀元年（627年），幽州劃歸河北道。后成為范陽節度使的駐地。安史之亂期間，安祿山在北京稱帝，建國號為“大燕”。唐朝平亂后，復置幽州，歸盧龍節度使節制。
五代初期，軍閥劉仁恭在此建立地方政權，稱燕王，后被后唐消滅。北宋初年宋太宗在高梁河（今北京海淀區）與遼戰斗，北宋大敗，對燕云十六州從此望眼欲穿；遼于會同元年（938年）起在北京地區建立了陪都，號南京幽都府，開泰元年改號析津府。
貞元元年（1153年），金朝皇帝海陵王完顏亮正式建都于北京，稱為中都，在今北京市西南。
元代時，蒙古大汗國改名元朝。自元朝起，開始成為全中國的首都。元朝時的北京稱為元大都。元大都成為全中國的交往中心，北到嶺北行省，東到奴兒干都司（治所黑龍江下游），西到西藏地方，南到海南，都在此交流。成吉思汗麾下大將木華黎于嘉定八年（1215年）攻下北京，遂設置燕京路大興府。元世祖至元元年（1264年）改稱中都路大興府。至元九年（1272年），中都大興府正式改名為大都路（突厥語：Khanbalik，意為“汗城”，音譯為汗八里、甘巴力克）。
明朝初年，以應天府（今南京）為京師，大都路于洪武元年（1368年）八月改稱為北平府，同年十月應軍事需要劃歸山東行省。洪武九年（1376年），改為北平承宣布政使司駐地。燕王朱棣經靖難之變后奪得皇位后，于永樂元年（1403年）改北平為北京，是為“行在”（天子行鑾駐蹕的所在，就稱“行在”）且常駐于此，如今的北京也從此得名。永樂十九年（1421年）正月，明朝中央政府正式遷都北京，以順天府北京為京師，應天府則作為留都稱南京，明仁宗、英宗的部分時期，北京還曾一度降為行在，京師復為南京應天府。
清兵入關后即進駐北京，亦稱北京為京師順天府，屬直隸省。
清咸豐十年（1860年），英法聯軍打進北京并簽訂《北京條約》。
清光緒二十六年（1900年），八國聯軍再次打進北京，大量文物被侵略軍和壞民劫掠。
辛亥革命后的民國元年（1912年）1月1日，中華民國定都南京，同年3月遷都北京，直至民國十七年（1928年）中國國民黨北伐軍攻占北京，張作霖敗回東北，北洋政府下臺。
民國伊始，北京的地方體制仍依清制，稱順天府。直至民國三年（1914年），改順天府為京兆地方，直轄于中央政府北洋政府。這一時期，北京新建了有軌電車系統，和一批現代的文化教育機構，如北京大學、北京師范大學、燕京大學、輔仁大學、協和醫學院等。
民國十七年（1928年）北伐戰爭后，由于蔣介石不重視北方邊防，把首都遷到南京，撤銷原京兆地方，北京改名為北平特別市。
民國十九年（1930年）6月，北平降格為河北省省轄市，同年12月復升為院轄市。民國二十六年（1937年）七·七事變后，北平被日本占領。偽中華民國臨時政府在此成立，且將北平改名為北京。
民國三十四年（1945年）8月21日，入侵北京的日本軍隊宣布投降，第十一戰區孫連仲部接收北京，并重新更名為北平。 1949年1月31日，傅作義與中國共產黨達成和平協議，率領25萬國民黨軍隊投向正義，中國人民解放軍進入北平市，實現對北京的解放。
1949年9月27日中國人民政治協商會議第一屆全體會議通過《關于中華人民共和國國都、紀年、國歌、國旗的決議》，北平更名為北京。
1949年10月1日，中華人民共和國中央人民政府在北京宣告成立。
1956年—1958年間，將河北省昌平、良鄉、房山、大興、通縣、順義、平谷、密云、懷柔、延慶等縣劃歸北京市，形成今北京市行政區域。