文物工作者通過對漢魏故城城垣的解剖、試掘，發現漢魏洛陽故城現存規模和形制不是某壹時代的產物，而是經過長期的修繕和增築活動才逐漸形成的。
漢魏洛陽故城由宮城、內城、外郭城三重城圈組成。在內城，即漢至晉代洛陽城的中部，發現了時代最早的城址。其規模基本為方形，大致合當時的東西六裏、南北五裏，從掌握的材料看，其具體時代不晚於西周中晚期，這是漢魏洛陽故城建城的開始。時代稍晚的城址位於漢至晉代洛陽城的中部和北部，約為春秋晚期築造，除北部為新擴部分外，南部沿用西周時期所築之城，並略有修補或增築。時代最晚的城址則是沿用西周、春秋晚期城址並向南擴大而成，其築造年代約晚於東周，早於漢代。前期城址仍被沿用並有所修補。這時期的城址約南北九裏、東西六裏，已達到並形成了漢晉時期洛陽城的形制和規模。此期城圈在西漢至北魏歷代均有修補或增築，並被各代所壹直沿用。由此可知，在漢晉洛陽城的城址上，至少有三個規模不同、時代各異的古代城址疊壓在壹起，而且每壹時代較晚的城址都是在沿用前代的基礎上，向北或向南擴大而形成新城的。 文獻中關於在洛陽在周代的營建，其間有兩次大的城市建設高潮。壹 次在西周開國之初，另壹次則在春秋戰國之際。通過對歷史文獻的研究和考古勘查發掘工作，已經確認，早在西周時期，這裏已湧現出壹座規模可觀的城址，為漢魏洛陽故城建城之始。
關於西周初年營築洛邑壹事，《尚書》、《逸周書》、《史記》等文獻資料及出土青銅器銘文皆有記述。周武王滅商以後，產生在黃河以南、伊洛壹帶的“有夏之居”建都的想法，並初步“營周居於雒邑而後去” 。二年後，周武王病死，其子成王繼位，周公輔政。據《尚書·召誥》記載，為了實現武王在洛邑建都的遺願，成王派太保召公到洛邑察看地形，具體規劃建都的地址。召公在途中走了半個月，三月初五到達洛邑。初七日，召公指使殷民在洛水北岸規度城郭、宮室、郊廟、朝市的位置，到十壹日規劃完成 。第二天，周公到達洛邑，全面視察了新邑，並且進行了占蔔，在澗水東、湟水西之間和德水東的洛水之濱營建新邑，皆蔔兆大吉。於是周公便把營建洛邑的地圖和蔔兆呈送給成王，得到成王的贊許批準後，於十四、十五日，殺牛、羊、豬等犧牲，在新邑立廟祭地。又過了七天，周公向各諸侯國民和殷民頒布命令，之後命令殷民開始大舉動工，經過八九個月的興建，年底成周城便告建成。
東周建都洛陽王城，周敬王為避王子朝之亂遷都於成周城，因其城小，晉率諸侯擴而大之，稱為“成周”，***歷經周敬王、周元王、周貞定王、周哀王、周思王、周考王、周威烈王、周安王、周烈王、周顯王、周慎靚王11帝，合205年。 秦有天下，封呂不韋“文信候”，食洛陽10萬戶，再次擴修洛陽城 。
秦時在河南設三川郡，洛陽為三川郡的治所 ，也是秦都鹹陽通往東方各地的要道。因呂不韋扶立秦王子楚有功，被封為丞相，又加封為文信侯，食洛陽十萬戶。呂不韋再次擴大了洛陽城 。這與考古勘探發現的城址南部的增築擴建情況相符。這次擴建在漢魏洛陽城形制發展史上有重大意義，城市的形制又壹次發生變化，達到了東西六裏、南北九裏的規模，俗稱“九六城”。東漢、曹魏、西晉國都洛陽城以及北魏洛陽都城的內城，即是在這個城址基礎上修建沿用的。也就是說，漢晉洛陽城形成規模是在秦代。 東漢從建武元年（公元25年）漢光武帝定都洛陽後，開始了165年的統治經營。建武元年（公元25年），劉秀於郁（今河北柏鄉）即皇帝位，沿用漢的國號。同年冬十月，劉秀定都於洛陽。漢崇火德，劉秀定都洛陽後，認為“洛”字的三點水不利於他的火德，因火遇水則滅，於是他把“洛”去水，洛陽’變成“雒陽”。劉秀在洛陽大興土木，起高廟，建社櫻，修官室，立太學、明堂、辟雍、靈臺於南郊。劉秀還進行了壹系列政治改革，特別是連續6次頒布釋放奴婢的記令，部分解決嚴重的土地兼並問題，改善了農民的處境。農民的生產積極性提高，社會經濟逐步恢復和發展，歷史上稱為“光武中興”。東漢自光武帝定都洛陽，先後有光武帝（秀）、漢明帝（莊）、漢章帝（旭）、漢和帝（肇）、漢殤帝（陡）、漢安帝（訪）、漢順帝（保）、漢沖帝（炳）、漢質帝（績）、漢桓帝（誌）、漢靈帝（宏）、漢少帝（辯）、漢獻帝（協），***13帝，達196年之久。
考古發現的晉城址平面呈不規則長方形，夯築城墻厚14～25米。西城垣長約3500米，北城垣長2523米，東城垣長3895米，南城垣早因洛河
改道而沖毀。12座城門中夏門保存最好。城裏的大街與城門相通，據鉆探結果，南北向和東西向的大街各有5條。城內主要建築是坐落在城南部的南宮和北宮，南宮是南北長1300米，東西寬1000米的長方形。北宮南北長約1500米，東西寬約1200米。此外，北宮東北靠近上東門處還有永安宮，城西北則有皇家的宮苑濯龍苑。最高的行政機構如太尉府、司徒府和司空府在南宮的東南，靠近旄門和開陽門；而儲存糧食和兵器的太倉、武庫則建在北宮的東北。城內東北角即上東門附近居住著達官貴族，平民百姓多生活在城外靠近城門的地方，工商業區有金市、馬市、羊市。禮制建築辟雍、太學、明堂和靈臺位於城南。辟雍平面為方形，邊長170米，四面各有壹門，中心是邊長45米的方形夯土殿基，殿基南曾出土晉辟雍碑。辟雍遺址東北的壹處遺址，曾出土過漢魏石經殘塊，可能是東漢以來太學的遺存。明堂遺址在辟雍遺址西側，平面亦呈方形，邊長240米，中心為直徑60余米的圓形夯築殿基。靈臺在明堂西側，是我國發現最早的天文觀測臺遺跡，邊長220米，中心是邊長50米的方形夯土臺基。南郊還發現了東漢時期被征調到都城洛陽來服役的刑徒墓地，數十人骨骸留有被砍擊和刺殺的創傷。墓中用廢磚刻寫姓名、部屬和刑名，是研究東漢的法律和刑徒問題的重要資料。 東漢初平元年（公元190年）董卓脅迫漢獻帝遷都長安，焚洛陽宮廟及人家，繁華的洛陽城，遭到了徹底的破壞。
黃初元年（220年），曹丕稱帝建魏，定都洛陽，魏主土德，水得土乃流，土遇水則柔，故改“雒陽”仍為“洛陽”。土乃黃色，因此定年號為黃初，由此開始了對東漢雒陽城的新建與重建。魏文帝曹丕時修復了北宮的部分建築物，魏明帝曹叡大興土木，在東漢南宮崇德殿的舊基上建太極、昭陽諸殿，又增飾芳林園等。 曹魏政權重點修復北宮，起太極殿，采取了單壹宮制，即宮城位於全城中軸線北端“居中建極”。居中建極的宮城上應北極星，這是中央集權得以強化的表現。單壹宮制意在樹立中央皇權的絕對威信，改變了中國歷史上兩宮並置的模式。
曹魏又將東漢舊城北城墻加厚至30米左右，並在西城墻北段、北城墻外側增築馬面，改建大夏門，其意恐在於加強宮城的防衛。而城內高臺、城墻、馬面、護城河等完備防護體系的形成，則標誌著它的成熟。
最重要的是，魏文帝曹丕在洛陽城西北隅興建百尺樓，隨後魏明帝曹散擴建成軍事堡壘——金墉城。金墉城由南北排列的3個小城堡組成，南北長1048米，東西寬150～255米。城墻版築而成，墻外側築有城垛。城東、北、西三面有護城河環繞。最新發掘表明，金墉城的3個小城堡是不同時期建造增擴的產物，只有南面的城堡才是魏明帝創建的金墉城。
曹魏歷魏文帝（丕）、魏明帝（睿）、齊王（芳）、高貴鄉公（髦）、魏元帝（奐），***都洛46年。
西晉也以洛陽為國都，但洛陽城的形制和布局沒有大的改變。永嘉五年（公元311年），匈奴族的劉聰率軍攻入城內，洛陽城再次成為灰燼。 180余年後，洛陽城為北魏的國都。北魏孝文帝在太和十九年（公元495年）遷都後即開始了大規模的營建，宮城、內城、外郭城組成的都城使這裏達到輝煌的頂峰。宮城位於東漢北宮故地，在內城偏北部的中央位置，南北長1398米，東西寬660米。除北墻不甚明確外，其他三面宮城城墻尚存。發現宮門4座，正南門閶闔門門洞寬達46米，足見規模之宏偉。宮城內夯土臺基密集，宮廷建築均集中於此。閭闔門正北東西100米南北60米的長方形宮殿基址，是宮城正殿——太極殿，為全城的中心。內城沿用漢晉洛陽城的城垣，城門略有變更。城內街道更加規整，東西大道基本貫通內城，其中東陽門至西陽門的大道是內城的重要分界，道路以北地勢較高，分布宮城、園囿、武庫、太倉等；道路以南主要有衙署、廟壇、寺院和貴族宅邸等。宣陽門內通達官城正門的銅駝街，位於全城中軸線上，寬約42米。街道兩側是中央官署以及太廟、太社、國子學遺跡。自宮城的太極殿，經閶闔門沿銅駝街抵宣陽門，過洛水上的永橋至南郭城外圜丘，構成了北魏洛陽城的中軸，雖在內城略偏西處，但基本上使宮城處於居中位置。所以北魏洛陽城總體布局體現了帝王之居建中立極、官府外設、左祖右社的封建都城建築原則。 外郭城內主要由普通百姓居住，劃分的區域整齊嚴密，稱為裏或坊。考古發現外郭城東、西二垣各距內城3500米，北垣距內城850米，至此洛陽城的東西寬度和南北長度皆達10公裏，成為我國古代史上規模宏大的城市之壹。文獻記載北魏洛陽城有佛寺1300余座，經過考古探查的只有建於北魏熙平元年（公元516年）的永寧寺1處。寺院遺址位於宮城南門西南，平面呈長方形，周長1060米，方形塔基出土的遺物主要是與佛教有關的泥塑。
永熙三年（公元534年），北魏王朝瓦解，這裏再次淪為壹片廢墟，從此告別了都城的輝煌。漢魏洛陽城留下的四朝都城的遺跡，再現了隨著城市範圍的擴大，城市布局所發生的根本性變化：東漢至晉代，宮殿區經歷了由相對分散的南北宮制向集中於城區北中部的單壹宮制轉化；北魏時城區擴大，漢晉洛陽城變成了內城，大部分被宮城、宗廟和中央衙署所占據，已具備了某些後世皇城的性質，外郭城內則成為主要居民裏坊區和工商市場所在地。這種宮城、內城、郭城三重城垣的布局成為此後歷代都城的宮城、皇城、郭城布局的祖型。就這樣，漢魏洛陽城如同在烈火中涅檠的鳳凰，隨著“城頭變換大王旗”的朝代更叠，歷經修建、焚毀、重建、焚毀、再重建，形成了古代都城的基本格局，對隋唐時代及以後的都城產生著深遠的影響。
在東漢、曹魏、西晉、北魏相繼定鼎的數百年裏，漢魏洛陽故城在發展過程中有兩次引人矚目的變化：壹是三國魏時修建洛陽官，並在大城西北隅修建了壹座具有離宮性質的小城——金墉城；二是在北魏宣武帝時興建外郭城並築坊320。這兩次建設尤其是後者，不但在我國都城建設史上有著承前啟後的重大意義，而且奠定了漢魏洛陽故城今天的規模：南北長10公裏，東西寬10公裏，面積100平方公裏。如此規模，使漢魏洛陽故城成為我國甚至世界歷史上最大的古代都城。
北魏歷孝文帝（宏）、宣武帝（格）、孝明帝（詡）、孝莊帝（子攸）、節閔帝（恭）、孝武帝（修），以洛陽為都***42年。
此後，在北周宣帝時，以洛陽為西京，又調兵大修洛陽宮、常役使4萬人。將鄴城六府遷於洛陽，又將原遷鄴的太學石經遷回洛陽。據《周書·宣帝紀》記載：“其規模壯麗，逾於漢魏遠矣。”但因時間短促，皆未完成。
至隋統壹全國，隋煬帝在洛陽另辟新址，大規模營建東都洛陽。歷史上曾經輝煌的漢魏洛陽城失去了往日悠久的正統地位。唐貞觀六年（公元632年），洛陽縣與河南府的治所從金墉城遷到東都毓德坊。從此，數百年錦繡帝都漢魏洛陽城逐漸淪為廢墟。 新中國成立後，人民政府十分重視文物古跡的保護、發掘和研究。1961年，國務院公布漢魏洛陽故城及白馬寺同為第壹批全國重點文物保護單位。中國科學院考古研究所確定了漢魏洛陽故坡的文物保護重點，並得到國家文物局批堆。洛陽地區文物部門和偃師、孟津文物部門在重點保護處豎立了標誌牌。
1962年，中國科學院考古研究所洛陽工作隊開始對漢魏洛陽故城作全面的鉆探、勘查、發掘。通過40余年的考古發掘工作，已基本弄清了漢魏洛陽故城的城市布局及規模，對壹些重要遺址進行發掘或試探，獲得了許多重要的科研資料，也為研究中國城市建築史，探索東漢、曹魏、西晉、北魏四代王朝乃至西周、東周時期的政治、經濟、軍事、交通和文化，提供了豐富的實物資料。
1989年，河南省人民政府依法劃定了漢魏洛陽故城的保護範圍，並予以公布。漢魏洛陽放城保護範圍，東至堰師市首陽山鎮的後張襯到白村間南北壹線，西至洛陽市洛龍區白馬寺鎮的分金溝村到潘材間南北壹線，北至孟津縣平樂鎮的上屯襯東西壹線，南至腥師市佃莊鄉的工屹擋材東西壹線。總面積約100平方公裏。
從1992年開始，首先著手北魏洛陽永寧寺塔基遺址的保護工作，並制訂上報了永寧寺塔基遺址的保護方案。
經國家文物局原則同意，撥專款進行塔基保護的征地圍墻工作。
1999年，國家文物局正式批復了永寧寺塔基的保護方案，東漢靈臺遺址的保護方案，也已上報國家文物局。該方案在保護靈臺遺址的前提下，註重了展示的功能。
2014年6月，漢魏洛陽城遺址作為絲綢之路項目中中國境內的22個遺址點唯壹的都城遺址，成功入選世界文化遺產。