公元前111年西汉将军李息，郎中令徐自为率军进入湟水流域，同年设护羌校尉管理今甘肃、青海地区羌人。大约在此期间，西汉在今西宁设置了西平亭。西平亭既是军事防御体系和邮传系统，还具有一级地方基层政权的性质。与此先后，还在今西宁郊下乐家湾建有东亭，在大通长宁建有长宁亭。西平亭的设立，标志着今西宁正式纳入了西汉的版图，纳入了西汉的军事防卫体系和行政管辖范围。
公元220年东汉亡，魏、蜀、吴三国鼎立。今西宁属曹魏的统治范围。222年魏凭依汉西平亭故城，修成西平郡城。西平郡城近靠西平亭城，增长了南、西、北三面城墙，建成西平郡城，作为西平郡的郡治所在。三国时期虽然发生过多次西平人反魏的事件和蜀汉争夺湟水流域的战争，全西平一直是曹魏的统治范围。
265年司马炎取代魏国建立晋朝，史称西晋。西晋今湟水流域仍置西平郡（治今平安）、长宁（治今大通长宁）四县，属凉州刺史统辖。西晋王朝任命马隆为西平太守。马隆采取措施维护地方的安定，深受群众的拥护，在任期间，西平地区一直处于安定的社会环境。西晋亡后张氏世守凉州，建立地方割据政权，史称前凉，今西宁属前凉的统治范围。前凉政权采取安定社会，发展农业生产，兴办学校，选拔人才，统一货币等政策措施，包括西平在内的凉州地区的经济、文化有了大的发展。张骏继位后分西平郡地置晋兴郡，西平郡（治今西宁市）辖西都（治今西宁市）、临羌、安夷、长宁四县，并节制今海北州地。其中西都县辖今西宁及湟中、互助的部分地区。公元376年前凉被前秦所灭，青海东部名义上归前秦的控制范围，实际上被当地羌族各部落占据。
公元392年吕光率兵南下，打败南羌彭奚念部，后凉势力进入今青海省东部，后凉一度改西平郡为西河郡（治今西宁），辖西都、临羌、长宁、安夷四县，以程肇为西河郡太守。 十六国时期，鲜卑族秃发部据今甘肃西部，青海东部地区，建立地方割据政权南凉，曾一度建都西平（今西宁）。今西宁虎台地区的“虎台”，相传就是南凉的阅兵台。南凉亡后今西宁地区先后归西秦、化凉统治，西秦一度在西宁置沙州。沙州辖西平、河湟、三河三郡，治西治（今西宁市）。
公元439年北凉投降北魏。湟水流域归北魏统治，今西宁等地由十六国时期的战乱纷争进入了社会相对稳定时期，北魏遂改西平郡为鄯善镇（治今西宁）。公元526年又改鄯善镇为鄯州，辖西平（治今西宁市）、浇河二郡，是北魏在今青海的最高行政建置。
隋炀帝出兵击败吐谷浑王伏允。隋在吐谷浑故地设置了西海、河源、且末、鄯善四郡，迁徙内地经罪犯人到这里居住，青海境内中原王朝直接统辖地区扩大到了今青海省的北部。 公元618年唐朝建立，先后平定了薛仁果和李轨，在青海东部设鄯、廓二州。鄯州辖龙支、湟水二县，今西宁为湟水县辖地。公元678年从湟水县划出西部地置鄯城县，在今西宁城东筑鄯城。鄯城县的辖地大致包括今西宁、湟中、湟源、大通、互助等地。至此，唐鄯州辖湟水、龙支、鄯城三县。 宋时，角厮罗势力渐 强，以青唐城（今西宁）为中心，在河、湟、洮地区建立了以吐蕃为主体的宗咯地方政权,经过反复争夺公元1104年北宋收复了青唐，改鄯州为西宁州（治今西宁市），隶属于陇右都护府。是 “西宁”见于历史之始。
公元1131年女真族建立的金国军队进入青海东部，赵怀恩逃往阆州，西宁归入金的统治。金在今西宁仍置西宁州。在金占领青海东部期间经常受到西夏的攻击，从公元12世纪初到13世纪初的八、九十年里，西宁等地常处于金、夏的争夺中。
公元1227年太祖成吉思汗亲率蒙古军队南渡黄河攻占积石州，三月占领西宁州，从此，西宁并入蒙古帝国的统治。当时西宁州隶属于甘肃行省所辖七路二州之一。元朝撤消金、夏时的乐州，将原乐州所辖地区并入西宁州。这样，整个湟水流域统由西宁州管辖。公元1286年元朝政府在今西宁设立西宁枸榷课程所，负责管理西宁等地赋税征收、市场贸易及钱粮转运等。
公元1368年朱元璋建立明朝， 1371年西宁州同知李南哥归附明朝，西宁归入明朝的
版图。明朝为了加强对这一地区的统治，公元1373年改西宁州为西宁卫。西宁卫辖左、右、前、后、中五个千户所，除右千户所设在碾伯以外，其余都设在西宁城内。西宁卫隶属于陕西布政使司，同时又受分巡西宁道和分守西宁道的节制。西宁卫不仅管辖西宁及其附近地区，而且还控制着青海湖、柴达木及新疆南部的一些地区。到1488年又在西宁置抚治西宁兵备道，直接管辖蒙藏民族事务和负责西宁卫的军事防务。
公元1645年清军进入西宁。清朝初年西宁行政建制仍沿袭明朝，1725年改西宁卫为西宁府，辖西宁、碾伯二县及大通卫。到1829年， 西宁县的辖地除今西宁市外，还包括今湟源、湟中、大通、互助、平安等，西宁一直处于河湟地区政治、经济、文化的中心和军事重镇的地位。
公元1913年北洋政府改革清代建制，废西宁府，保留西宁道，辖西宁、大通、碾伯、贵德、巴戎、循化、湟源七县和玉树、都兰二理事，西宁是道府所在地。1927年裁撤西宁道，设西宁行政区长官。1928年国民军进入青海，第二年南京政府的决定，设立青海省，以西宁县为青海省省会，孙连仲就任青海省主席。公元1946年6月11日，西宁市正式成立。西宁市辖区东至小峡，西至小桥和杨家寨，南至红庄，北至朝阳及盘子山。市区总面积30平方公里，其中城区面积3平方公里。全市人口7万余人。
公元1912年中华民国成立，原任清朝循化参将的马麒被委任为镇守西宁等处总兵官。1915年北洋政府改青海办事长官为青海蒙番宣慰使，改西宁总兵为甘边宁海镇守使，马麒身兼二职，集军政大权一身，从此开始了马氏家庭统治青海的历史。1936年蒋介石命令马步芳代理青海省政府主席。1949年5月，全国解放在即，马氏家族乘飞机由西宁仓惶逃往重庆，后又逃到台湾。 1949年9月5日，西宁解放。
1949年9月8日，中国人民解放军西宁市军事管制委员会、市人民政府同时成立，冼恒汉任军管会主任，张国声任副主任；刘枫、钱平任市长、副市长。9月26日青海省人民军政委员会成立，代行省人民政府职权，1950年1月1日青海省人民政府成立，西宁市为青海省的省会。