北宋收複蘭州，宋夏對峙公元960年，五代後周的禁軍統領、殿前都點檢趙匡胤奪取後周政權，建立大宋王朝，以汴京為都城，史稱北宋。北宋初期，忙於削平不服氣的節度使，接著南征北伐，消滅各地的軍閥努力，實現了有限的統一。但在西北，黨項族人李元昊趁機擴張勢力，於1038年建立了西夏政權，並控製了蘭州。
宋神宗元豐四年（1081年），北宋調集40萬大軍，分三路進攻西夏。其中由李憲率領的西北路軍翻越馬銜山，攻占龕穀寨，然後在西使新城（今榆中縣三角城一帶）大獲全勝，打敗西夏騎兵2萬餘人，獲戰馬500匹，接著於九月份攻下蘭州，將宋夏邊界從馬銜山推進到了黃河邊，並留部將李浩駐守蘭州。後經朝廷批準，在蘭州城內置帥府，設蘭州，李浩任知蘭州事。第二年，將熙河路改為熙河蘭會路，管轄蘭州。李憲上報朝廷說：
蘭州古城，東西約六百餘步，南北約三百餘步。……自夏賊敗衄之後，所至部族皆降附。今招納已多，若不築城，無以固降羌之心，見築蘭州城及通遠堡。
這段話見於《續資治通鑒長編》的記載，講的是李浩築蘭州城的事，並陳述了築城的理由。所說的“蘭州古城”，指的是隋、唐所築蘭州城。宋代新築的蘭州城北至張掖路、西關什字，東至酒泉路，西至下溝，南與隋唐蘭州城相接。因發現城下有紅砂岩板，狀如巨龜，所以被稱為石龜城。宋蘭州城與西夏隔河相望，戰略地位十分重要，因此在築城的同時，還修築了定遠城堡、東關堡、西關堡、皋堡、阿幹堡，從東、西、南三個方向拱衛蘭州城，防禦西夏入侵。
元豐五年冬，西夏軍隊乘黃河結冰，偷越黃河，進攻蘭州城。
到第二年二月，西夏集中數十萬人，意在奪取蘭州。這時蘭州城守軍僅有數百人，而且東西兩關門均已失守。危急關頭，熙河蘭會路鈐轄王文鬱招募敢死之士700人，趁夜縋城而下，奮力與西夏軍交戰，迫使西夏軍潰敗之中爭渡黃河北去。兩個月後，西夏再次進圍蘭州，也被宋軍打敗。元豐七年（1084年）正月，西夏調集80萬人進攻州，誌在必得。攻城之箭密如雨雹，城牆三麵架設雲梯，圍攻之勢猶如狂瀾一般。守城宋軍同仇敵愾，頑強奮鬥，夏軍連攻十晝夜未能得逞，加上軍糧不濟，隻得撤兵。第二年三月，李憲選精兵一萬騎，渡過黃河向北進發至500裏路時，與夏軍相遇，宋軍士氣高昂，傾力拚殺，斬敵4700餘人，獲得牛、羊、駝、馬、器甲8萬餘頭（付）。從此，西夏不敢再來進犯蘭州。在與西夏作戰期間，王鬱派人在黃河北修築了金城關，後來又有鍾傳、苗履先後修葺、加固，並“係就浮橋”，成為今蘭州市黃河上第二次搭建的浮橋。始建於北宋的金城關北宋初設蘭州時，州下沒有轄縣，僅轄一寨四堡。一寨即龕穀寨（今榆中小康營）；四堡即東關堡（今城關區東崗鎮一帶）、阿幹堡（今七裏河區阿幹鎮）、西關堡（今七裏河土門墩西）、皋蘭堡（今蘭西南西固區的關山一帶），另有鞏心堡（今城關區拱星墩一帶）等。這些堡寨都是從西夏手中奪回，並為防禦西夏而設置的。宋徽宗崇寧三年（1104年），設蘭泉縣屬蘭州，蘭泉縣城在今天城關區境內，轄地包括今天的榆中縣、城關區、七裏河區、西固區和永靖縣的一部分。
北宋和西夏隔河而治。河南岸是蘭州，河北岸則由西夏所設卓羅和南監軍司（駐今永登縣紅城鎮）管轄。李憲收複蘭州後，溯大通河向北拓展，在今永登連城鎮一帶設有震武軍城，屬熙河蘭會路管轄。1989年發現的宋巡按震武軍題名摩崖石刻中有一首詩，生動地描述了宋代震武軍城即今連城一帶的迷人風光：
水漱寒敲玉，山光翠潑藍；雖然居塞北，卻是到江南。
金滅北宋據蘭金朝是由黑龍江中下遊的女真族建立的。宋徽宗宣和四年（1122年），金滅掉它西部的契丹人所建立的遼國，開始向南進攻北宋。宋欽宗靖康二年（1127年），金軍擄走宋徽宗、宋欽宗，滅了北宋。同一年，趙構在南京（今河南商丘，後又南遷至今杭州）稱帝，建立了南宋。野心勃勃的金人繼續南侵，而西北又是它進攻的重北宋龕穀摩崖石刻點。
南宋建炎元年（1127年）冬，金兵由婁室（洛索）、撕離曷（薩裏幹）統率，分三路南下，直指“秦川”之地。在金軍狂潮惡水般的進攻麵前，南宋將領所率軍隊卻像樹倒猢猻散一般潰敗不堪，金軍占領了長安以及陝州、華州、隴州、秦州。大敵當前，陝、隴、川等地愛國將領奮起抗金，老百姓也積極參加“義兵”，投入抗金鬥爭。但宋金富平之戰，宋軍將領剛愎自用，指揮接連失誤，宋軍大敗，金軍則占領了五路六十州之地，蘭州亦在被占之內。麵對強敵，靜寧人吳、吳兄弟挺身而出，領導陝、甘、川人民的抗金鬥爭。曆經幾次大戰，扭轉了戰局，收複了包括蘭州在內的十三州軍之地。就在關鍵時刻，南宋朝廷卻令吳班師回朝，金軍再次占領十三州軍，蘭州開始被金人統治。這一年，是宋高宗紹興元年（1131年）。金與西夏在蘭州依然隔黃河而治。
金朝在蘭州統治時期，實行路、府（州）、縣三級製，於金皇統二年（1142年）改熙州（今臨洮）為臨洮府，後又改為臨洮路，蘭州屬其管轄，同時撤銷了蘭泉縣，並其地入蘭州。金大定二十二年（1182年），在蘭州之下設定遠縣（今蘭州榆中縣定遠鎮一帶）、龕穀縣（今蘭州榆中縣小康營一帶）、阿幹縣（今蘭州七裏河區阿幹鎮），另設質孤堡（今榆中來紫堡）、東關堡（今城關區東崗鎮一帶）、西關堡（今七裏河區土門墩一帶）、京玉關（今西固區青石津遺址處）。蘭州共轄三縣、三堡、一關。
金夏在蘭州隔河而治，仍時有爭奪。金貞元年（1213年），蘭州譯人程陳僧反叛金朝，並聯絡西夏給予支援。貞三年，金朝派軍隊前來鎮壓，西皋蘭出土的西夏文首領銅印夏也出兵支援程陳僧，並攻破西關堡。金夏在蘭州城外爭戰多年未分勝負。金宣宗興定三年（1219年），朝廷商討蘭州問題，認為“州當西夏之衝，久為死據，將遣白撒複之”。（語見《金史·白撒傳》）但白撒卻奏報說：“士馬疲弊，未得少休”，“不若息兵養士以備”，於是西夏所據蘭州之地金朝未能收複。1120年，金夏議和。興定五年（1221年），西夏派兵進攻蘭州龕穀縣，進而西向占領質孤堡。在西夏的重兵進攻之下，金朝被迫再次與西夏議和，直到金哀宗正大四年蒙元鐵騎攻占金臨洮路，後又滅金為止。
金哀宗統治年間（1226年），金朝為與西夏爭奪，在龕穀縣設金州，管轄龕穀、定遠二縣，而蘭州及阿幹縣則被叛金的程陳僧占據。
金統治時期，在各地設有行台尚書省，簡稱行省，是中國設置省級建置的起源。
蒙元鐵騎攻占蘭就在宋夏爭奪、宋金爭奪和金夏爭奪不可開交之時，北方的蒙古高原興起了一個新的強大民族——蒙古族。1206年，蒙古族的傑出領袖鐵木真在統一蒙古各部後，宣布即蒙古國大汗位，稱為成吉思汗。
那時候，中國大陸並立著黨項羌建立的西夏，女真族建立的金，契丹族建立的西遼，南逃偏安的漢族政權南宋，另外還有畏吾兒、吐蕃、大理等政權。與蒙古緊鄰的西夏自然成為了蒙古統一後首要的進攻對象之一。1205年、1207和1209年，蒙古三次發動對西夏的戰爭，三戰三勝的蒙古鐵騎嚴重威助著西夏的安全。此後近十年的時間裏，蒙古族的主要力量放在西征擴張上，西夏有了短暫的喘息。
但1218年，蒙古軍隊第四次進攻西夏，包圍了西夏都城興慶府（今銀川市），雖然遭遇西夏軍民的奮力抵抗，但西夏更加被蒙元視為眼中釘，意欲拔出。
1224年，成吉思汗結束西征返回的途中，對西夏的西部重鎮沙州發動大規模的軍事進攻。這是一次十分慘烈的戰役，蒙、夏雙方都付出了慘重代價，但蒙古鐵騎終未攻下沙州。西夏的殊死抵抗引起成吉思汗和蒙元貴族的更大仇視。1226年，成吉思汗親率三兒子窩闊台、四兒子托雷，對西夏發動全麵進攻，西線進攻沙州，北線全麵出擊，連續攻破黑水城（額濟納旗）、肅州（今酒泉肅州區）、甘州（今張掖甘州區）、西涼府（今武威涼州區），應理（今寧夏中衛）、靈州（今寧夏靈武），重重圍定了西夏國都興慶府。
1227年，興慶府被圍，蒙古派軍南下，攻占了金朝統治的臨洮路、洮州（今甘肅卓尼）、西寧（今青海西寧）等府州，到1236年，今天蘭州即西夏的卓羅和南監軍司之地、金朝的金州之地全部被蒙元騎兵攻占。同年六月，成吉思汗駐紮在六盤山營地，派使臣去興慶府勸降。西夏國都興慶府被圍半年之久，糧盡援絕，走投無路，被迫投降。在成吉思汗死後第三天，西夏末帝被殺，西夏滅亡。統治了190多年之久的黨項羌人的大夏國在蒙元鐵騎的馳騁中被逐出了曆舞台。
西夏滅亡，下一個目標就是金了。金朝自完顏阿骨打1115年建國，到1234年，統治了120年。在蘭州，從1131年到1236年也有逾百年的曆史。1211年，蒙古開始了滅金的戰爭，先後攻取了金的西部轄地，中部的慶陽府。從1231年開始，蒙古軍隊先後攻占鳳翔府、寶雞、鄧州（今河南鄧縣），在鈞州（今河南禹縣）與金軍決戰，金朝主力被消滅，1234年，金朝滅亡，金末帝自殺。
西夏、金相繼滅亡，蒙古與南宋又持續進行了四十餘年的戰爭。1271年，忽必烈建立了元朝，定都大都（今北京）。1279年，南宋徹底滅亡，中國歸於統一的大元政權之下。
元代的蘭州：隔河分治元代的蘭州以黃河為界，分屬甘肅行省和陝西行省管轄。黃河以北為甘肅行省永昌路莊浪州管轄，轄地包括今永登、皋蘭、紅古三縣區。黃河以南為陝西行省鞏昌路的蘭州、金州管轄，轄地包括今榆中縣（金州）、城關區、七裏河區、西固區和永靖縣的一部分。
據史書記載，元世祖（忽必烈）至元元年（1264年），蒙元在原西夏統治區設甘肅路總管府，到至元十八年（1281年），成立甘肅行中書省（省會在今張掖）“以控製河西諸郡”。今永登、皋蘭一帶原屬西夏占據，故歸入甘肅行省，並早於至元十五年（1278年）設立莊浪州。為何稱“莊浪州”？原因是西夏黨項羌人的一個部落叫野牛部，西夏後期流落在今莊浪河穀一帶畜牧，蒙古語稱野牛為莊浪，莊浪河也因設置了莊浪州而得名。
蒙元占領蘭州後，沿襲金朝設置，將原金代的金州保留下來，並管轄龕穀、定遠兩縣。至元七年（1270年），撤銷這兩個縣，轄地並入金州，金州不轄縣，管今榆中縣地。蘭州在“甲午年（1234年）歸附國朝（元），仍舊治蘭州，領阿幹一縣及司候司”，至元七年撤阿幹縣、司候司入蘭州，蘭州也不轄縣。1286年陝西行省（省會在今西安）成立後，蘭州、金州歸陝西行省鞏昌路（後改為鞏昌等處總帥府）。
元代蘭州形成隔河分治的形勢，主要是出於政治和經濟兩方麵的原因。從政治上說，從北宋與西夏開始到金與西夏，一直是隔河分治，而河西地區約190年間一直由西夏統治。蒙元滅西夏後，以其地設甘肅行省，加強對河西諸郡的控製。而蘭州黃河以北原屬西夏，同被視為河西之地，劃歸甘肅行省確屬很自然的事。而在黃河南岸，州城窄小，因河而防，因河而固，早在金朝就屬南部的臨洮路管轄，元朝不必再做大的調整，沿襲金製即可。從經濟上說，雖然宋元時期蘭州經濟仍是農牧兼營，但黃河南北已有了較大區別。畜牧業主要集中在黃河以北，而南岸由於河道北移，台地大量被開墾為耕地，成為農業區。隔河分治，有利於對不同經濟區的經營和管理。