大同城區解放前歸大同縣壹區管轄。1949年5月1日大同和平解放。2日大同市軍事管制委員會、中***大同市委、大同市人民政府在城區正式宣告成立，隸屬察哈爾省直轄，省會在張家口市。大同市委設在帥府街（現城區醫院），市政府設在大東街（現東街古玩市場東）。大同市下設五個區。除五區管轄口泉、平旺壹帶外，壹區管轄城內東北隅；二區管轄城內西北隅；三區管轄城內東南隅和東關；四區管轄城內西南隅和南關。設區人民政府。壹區下設大北、仁和、東站、西站四個街道委員會和新華壹個街公所；二區下設帥府、西門兩個街道委員會；三區下設雲路、解放、東關三個街道委員會；四區下設太寧、永泰、南關三個街道委員會。
1950年3月8日，大同市政府將城內四個區改為三個區，撤銷四區，將四區分劃給二區和三區管轄。1952年11月20日中央人民政府決定撤銷察哈爾省，大同市改歸山西省管轄。12月市政府決定城內三個區合並為兩個區，同時決定兩個區的十二個街道委員會下設社區。1954年2月24日，城內壹區、二區合並為市區。4月14日改稱為城區。至2014年，城區轄15個街道，136個社區。 轄區主要的河流是桑幹河、禦河、十裏河。
桑幹河
桑幹河自應縣經鄭家莊，流入城南，再通過渾河轉入大湯頭、五漸疃，向東過佛堂寺、吉家莊，再轉左馬村、東冊田等村流入廣靈縣，澆灌了大片良田，其冊田水庫存水數億立方米，為北京供水之儲水庫之壹。
得勝河
得勝河亦名三臺道河，發源於內蒙，向東南流入豐鎮，經得勝堡，由東北方過堡子灣，宏賜堡，在榆澗村附近與北面來的鎮川水匯合，過孤店，白馬城，經城東流過艾莊，周家堡，註入桑幹河。
十裏河
十裏河本名武周河，發源於內蒙的菱角海，經左雲縣，向東流經高山、雲岡、小站，過城南流入禦河。
護城河
明清時代到解放初期，有護城河流經大同城四周，經水泉灣流入禦河，八十年代初期因城建而填埋。 城區屬溫帶大陸性季風氣候區。
春季氣溫回升快，平均氣溫6.5℃～9.1℃之間，乍暖還寒，有嚴寒無酷暑，因受季風影響，四季分明，多風沙半幹旱的氣候。春季壹般70天左右，常飛雪相伴，且下且化。夏季短，僅40天左右，氣候舒適，多溫和東南風，平均氣溫19℃～21.8℃之間。秋季來臨後氣溫便逐漸下降，平均氣溫在5.8℃～8.4℃之間，69天左右。9月下旬出現霜凍（終霜期二年的4月）。冬季漫長，西北風吹入，日短天寒，平均氣溫-12.8℃～6.3℃之間，溫差較大，最冷月為1月份，平均氣溫-11.3℃。
最熱月為7月份，平均氣溫21.8℃。極端最高溫度為37.7℃，極端最低溫度為壹29.1℃。主要風向為西北風，初霜期較早，終霜期較晚，無霜期為130天至140天。素有“雁門關外野人家，早穿皮襖午穿紗，圍著火爐吃西瓜”之說。
降水量年平均為384毫米。春季平均為56.1毫米，占年降水量的14.6%，夏季平均降水量為246.9毫米，占年降水量的64.3%；秋季平均降水量為72.96毫米，占年降水量的19%；冬季平均降水量為8.06毫米，占全年降水量的2.1%。城區平均相對濕度為50～56%，夏冬為65～68%，秋季為50～65%，冬季為48～52%，春季為40～44%。
年平均太陽輻射強度為140千卡/平方厘米·分，最大年均太陽輻射強度為150千卡/平方厘米·分，最小平均太陽輻射強度為135千卡/平方厘米·分。5月、6月、7月的月均太陽輻射強度最大，約17千卡/平方厘米·分。12月、1月的月均輻射強度最小，約6千卡/平方厘米·分。
四季太陽輻射強度，夏季最大，約47千卡/平方厘米·分，占全年的33%，春季次之，約43千卡/平方厘米·分，秋季較小，約30千卡/平方厘米·分，冬季最小，約24千卡/平方厘米·分。
日照時數平均2822小時。每年5月日均日照時數最多，為286小時，12月曰均日照時數最小，為186小時。日平均氣溫穩定在10℃以上的時間從4月18日到10月10日。