洪武初年，由于连年战事，民力凋敝，朱元璋下令“秦用陕西台治”，即秦王府城依托奉元城东北一隅的陕西诸道行御史台旧址兴建。这一选址决定了明代西安城的拓展方向——向东北拓展外城以便将秦王府环绕其中。洪武六年(1373)，负责工程的长兴侯耿炳文、陕西行省参政杨思义、都指挥使濮英上奏，声称宏大的城墙扩展工事已经展开，但仅仅依靠军士修筑已感不敷，申请征调本土民夫在农事间隙“助筑为便”。根据奏章，西安城的扩展规模为“开拓东大城523丈，南接旧城436丈，今又再拓北大城157丈七尺”。
由于秦王府的兴建始于洪武四年(1371)，城区同时向东拓展，所以必先拆除宋元旧城的东北两面城墙，旧有的城墙建筑材料极可能旋即用于新城墙，所以这项浩瀚的工程历时8年，直至洪武十一年(1378)，朱樉就藩于西安，才告一段落。不仅如此，由于龙首原整体地势东北高而西南低，向东北拓展，亦有利于城防。这一工程一扫宋元时代城池的狭小局促，奠定了明清时期西安成为西北政治文化经济中心的坚实基础，使得明清西安城的相当部分一直留至今日。作为一座军事重镇的明代西安城，其防御体系之完备坚固，在今天依旧令人叹为观止。在城墙四角，各有一座高出城墙约2米的角台，突出墙体11米，沿城墙外壁，每隔120米就有一座伸出墙体的敌台(马面)，各个相邻敌台之间构成的空间，可使守军利用弓箭、弩、掷枪、礌石乃至小型火器对进犯的敌人实施三面攻击。在敌台上，分别建有歇山式重檐两层式楼式建筑——敌楼，战时成为弓弩等冷兵器远射武器的发射基地。在城墙顶部内沿建有围墙，外沿建有垛墙，上有5984个垛口，间隔0.6米，垛墙呈“品”字形，中间预留一处高宽在九寸，外方内圆的悬眼，做瞭望，射击用。垛墙脚下也预留悬眼，供佛郎机炮、火铳射击用，垛口和垛墙顶部置有山字形封顶砖，以防御攀援而上敌人所用的飞钩与云梯顶部搭钩。
明清之际500余年，西安城墙经历了多次修葺，明穆宗隆庆二年(1568)，在陕西巡抚张祉的主持下，城墙整体被通砌以灰砖。到了1781年(清代乾隆四十六年)，陕西巡抚毕沅在任上再次修葺加固，将城墙基础向外伸出三尺，墙顶缩小一尺五寸，外侧上下斜度统一为五度，保证雨水能较快导入流水槽。为了加固墙体，全城沿墙基通砌两道三层石条，又在城墙外壁和城顶原包城砖的基础上，再追加一层新城砖。随着热兵器与火药的普遍使用，由于敌楼目标显著，屯兵易遭集中杀伤，毕沅拆除了所有明代所筑敌楼，改为硬山式面阔三间一层的驻兵卡房，共94处。
西安城的四座城门均为三重三楼建制，自内而外，分别为大城(主城墙)、瓮城、月城，以及分别建于其上的正楼、箭楼、闸楼。作为西安城最外重的防护，月城又称羊马城，比瓮城与主城城墙略矮约三分之一，紧邻护城河，控制架设的吊桥。月城之后，是墙体与大城等高同宽的瓮城，敌人若突破进入其中，会遭受来自正楼、主城、瓮城箭楼与瓮城环绕城墙四面的狙击。明代中后期，由于各地农民起义此起彼伏，又增设了东西南北四座关城。由四城三楼，马面、角台、垛口等组成的明清两代西安城防，在工业革命前冷热兵器混合时代，确实达到了固若金汤，坚不可摧的程度。
1644年，满清挥军入关，定都北京之后次年，即攻克了西安这座西北重镇，在前明疆域内，最早两处拥有八旗驻防的城市就是西安与江宁。而雍正朝之前，全国八旗驻防地中设有将军一职的，除了西安，只有盛京、江宁、广州、杭州等九地，足见其战略政治位置之重要。为了安置大批驻防八旗兵丁与家眷，于是从顺治六年(一说二年)开始，清廷就在西安城东北兴建城中之“满城”，作为其集中屯驻防御之依托。为了尽可能减少迁徙居民商户之纷扰，西安满城的选址定于城东北，征用了明代秦王府以及附属官署设施所用地，王府砖城则被拆毁荡平，辟为满城八旗校场：“西墙自安远门起，南至钟楼止，南墙自钟楼起，东至长乐门”，即北墙和东墙借用原有西安大城城垣，仅南墙与西墙为新筑。满城南墙与西安大城东垣相接处，正是长乐门外月城南垣与西安大城东垣相接处，故而能使东门外月城，瓮城与大城满城构成一个完整的防御体系。
根据雍正年间编修的《八旗通志初集》，西安满城的规模占据了大城面积的几乎40%，约为4.7平方公里，驻扎兵力为全国之首，雍正年间，满城与南城所驻守满汉八旗官兵多达8229人，大部分为马兵。
