曹魏以後，西晉統一的時間很短，北方地區進入分裂狀態。五胡十六國時期代表北方在西晉滅亡到北魏統一華北期間的時期，當時南方則為東晉時期。該時期自304年劉淵及李雄分別建立漢趙（後稱前趙）及成漢起，至439年北魏拓跋燾（太武帝）滅北涼為止。範圍大致上涵蓋華北、蜀地、遼東，最遠可達漠北、江淮及西域。在入主中原的眾多民族中，以匈奴、羯、鮮卑、羌及氐為主，統稱五胡。他們在這個範圍內相繼建立許多國家，北魏史學家崔浩取其中十六個國家來代表這段時期，稱這時期為“五胡十六國”。十六國時期出現的政權都很短暫，他們像走馬燈似的一個接一個地頻繁輪換。
趙石虎營建鄴都
西晉時，鄴為魏郡治所。西晉末期統治腐朽黑暗，特別是皇室的內部爭鬥常常勾引外族為援，促使少數民族的軍事勢力崛起。永興元年（304年），匈奴貴族劉淵起兵反晉，得到北方各民族的響應，活動在河北一帶，曾攻占鄴城的羯人石勒投奔劉淵。永嘉五年（311年），石勒殺晉軍十萬餘人，攻入洛陽俘殺晉懷帝。建興四年（316年），攻破長安，俘晉湣帝，西晉自此滅亡。
石勒於319年在襄國（河北邢台）稱趙王，史稱後趙。330年稱帝，開始修葺營建鄴都，並以洛陽為南都。石勒死後，其養子（亦說弟）石虎奪得政權，335年稱帝，遷都於鄴，以襄國為陪都。第二年，石虎大興土木，繼續營建鄴都。
石虎是個暴虐的統治者，喜歡追求奢華，在修建鄴都城牆時，城牆的外表全部改用磚砌，這是我國都城中最早有記載的磚造城牆，以前的城牆都是用土夯築而成的。城上每百步建樓一座，城隅的角樓是曹魏時原有的。南門西頭的鳳陽門，因為北對新建的九華宮，特別壯麗。門樓六層，朱柱白壁，高約六十米，屋脊上安放大銅鳳一對，製作工藝精巧，僅頭就有一丈六尺高，為了防止被大風刮倒，還用鐵索紮牢。民謠中說：上有金鳳相飛喚，“鳳陽門南天一半，欲去不去著鎖絆。”又在東城上建東明觀，北城上造齊鬥樓，改築增高西城原有的三台，四處建築巍然高聳，超出群樓之上。
曹魏時期宮城中的文昌殿在戰火中已經毀掉，石虎在故址上修建太武殿，台基高約三丈，東西七十五步，南北六十五步，以產自穀城山（今山東平陰）的文石砌成，屋用漆瓦、銅柱、珠簾。銅雀台的東北是九華宮，宮中有顯陽殿，宮北有逍遙樓、披雲樓等等，史傳樓台四十餘所。全城宮、殿、門、台上麵都建築觀、榭，樓宇重疊，錯落有致，屋簷翹起，如入雲端，外表裝飾，鮮豔華麗。《水經注》中說：鄴城全盛時，六七十裏外，遠遠望去，好像神仙居住的地方。由此可見十分奢華。
石虎殘暴荒淫，在由襄國遷都鄴城時，宮有一夫人，“每一舍輒立一宮，侍婢數十人，季龍所起內外台觀行宮四十四所”。他往來兩地之間，尋歡作樂。營建鄴城征發民工數十萬，饑餓病累而死者，數以萬計。他還征發十二至二十歲的民女三萬人，置於後宮，其中有夫之婦九千多人，殺人之夫或婦女自殺者極多。
石虎死後，諸子為奪取皇權而骨肉相殘。350年，石虎養孫漢人冉閔奪取政權，自立為帝，改國號魏，仍然都鄴城，史稱冉魏。
兩年之後，鮮卑族慕容部乘機舉兵南下，352年，前燕國君慕容雋攻破鄴城，冉閔被俘，冉魏滅亡。
前燕貴族慕容氏曾以龍城（今遼寧朝陽）為國都，滅冉魏後遷都於薊（今天津薊縣），五年後再遷都鄴城。遷都後的十幾年中，政治比較穩定，社會經濟也有所發展。後來，統治集團日益腐朽，貴族內部也發生了爭鬥，前燕政權迅速衰落。370年，前秦出兵攻破鄴城，前燕滅亡。