漢高帝時期，先把秦的離宮興樂宮改建為長樂宮，後來在長樂宮以西建築了未央宮，在未央宮以北草創了北宮，在長樂與未央之間是長安軍械大庫所在地，稱武庫。到漢惠帝時，長安城牆才基本完成修築，並建立西市。
早期的國都長安，隻利用秦時的舊宮加以改造，並以此為基礎加以配套工程完善，從東到西，太倉、長樂宮、武庫和未央宮，形成一橫排的大小建築群，布局也都是坐西朝東，加上漢惠帝時期的城牆，基本上形成了早期長安的規模。
當時長安城內，南部和中部除了宮殿外，還有宗廟、中央官署、三輔官署及各種倉庫，這樣一來，城中剩餘的空間就很小了。加之諸侯、大臣、富豪的住宅，長安城內沒有什麽空地。因此，後來長安的發展，逐漸越出漢惠帝城牆的界限，開始向外發展，這樣一來，早期長安逐步成為廣義長安的內城。長安城的擴建，與帝國政治經濟的恢複、發展是密不可分的。
建章宮是漢武帝時期建造的一個大型宮殿群，性質上雖屬於離宮，但日後逐步具有政治性辦公職能。它位於長安城西，在直城門外的上林苑內，其宮殿樓台之多，遠非長樂、未央所能比擬，號稱“千門萬戶”。
據說，漢武帝修建建章宮的理由是源於一場宮廷火災和一個荒誕不經的南方風俗。太初元年（前104 年），未央宮附近有名的柏梁台失火被焚。
事後有一個南粵巫師站出來告訴漢武帝，他說：“在他的老家，失火之後要建一座比失火建築更大、更華麗的建築將火魔活活氣死後，就可保平安無事。”
漢武帝聽完這話，便信以為真。在太初元年（前104 年）開始興建建章宮。由於其設計規模宏大，加之長安故城中用地緊張，因此選址在故城以西。實際上，漢武帝是把建章宮當成他的新皇宮來興建的。從建章宮的布局來看，從正門圓闕、玉堂、建章前殿和天梁宮形成一條中軸線，其他宮室分布在左右，全部圍以閣道。宮城內北部為太液池，築有三神山，宮城西麵為唐中庭、唐中池。
中軸線上有多重門、闕，正門曰閶闔，也叫璧門，高25 丈，是城關式建築。後為玉堂，屋頂上有銅鳳，高5 尺，飾黃金，下有轉樞，可隨風轉動。在璧門北，其左有別鳳闕，其右有井幹樓。進圓闕門內200 步，最後到達建在高台上的建章前殿，氣魄十分雄偉。宮城中還分布眾多不同組合的殿堂建築。
璧門之西有神明台，它是建章宮中最為壯觀的建築物。漢武帝好神仙求長生，與秦始皇相比，有過之而無不及，在宮殿建築上當然時時不忘表達對神仙的向往、仰慕。在虔誠祈禱、頂禮膜拜的同時，他專門建立求仙用的宮殿設施，可謂費盡心機。
神明台高達50 丈，台上有銅鑄的仙人，仙人手掌有7 圍之大，至於仙人之巨大可想而知。仙人手托一個直徑27 丈的大銅盤，盤內有一巨型玉杯，用玉杯承接空中的露水，故名“承露盤”。
漢武帝以為喝了玉杯中的露水就是喝了天賜的“瓊漿玉液”，久服便可益壽成仙。神明台上除“承露盤”外，還設有九室，象征九天。常住道士、巫師百餘人。巫師們說，在高入九天的神明台上可和神仙為鄰通話。
神明台保持了三百年，魏文帝曹丕在位時，承露盤尚在。魏文帝想把它搬到洛陽。搬動時因銅盤過大而折斷，斷聲遠傳數十裏。銅盤勉強搬到灞河邊，因太重再也無法向前挪動而棄置，後不知所終。神明台曆經兩千多年風吹雨打，至今隻餘千瘡百孔的夯土台基，立於台上觀賞，仍可遐想“立修基之仙掌，承雲表之清露”的古漢風韻。
建章宮北為太液池。太液池位於建章宮前殿西北，象征北海，占地10 頃，是渠引昆明池水而形成的一個範圍寬廣的人工湖。遺址在三橋鎮高堡子、低堡子村西北一片窪地處。
池北岸有人工雕刻而成長3 丈、高5 尺的大石鯨，西岸有6 尺長的石鱉3 枚，另有各種石雕的魚龍、奇禽、異獸等。池中建有高達二十餘丈的漸台。為了求神祈仙，漢武帝還在池中築有3 座假山，以像東海中的瀛洲、蓬萊、方丈三座神山。
太液池湖光水色，山水相映，景色宜人，是建章宮中著名的風景區。
池中置有鳴鶴舟、容與舟、清曠舟、采菱舟、越女舟等各種遊船。漢成帝常在秋高氣爽之季與後妃趙飛燕泛舟戲遊於湖中。太液池作為一個大的人工湖，為建章宮提供了大量蓄水。
太液池三神山源於神仙傳說，據之創作了浮於大海般巨浸的悠悠煙水之上，水光山色，相映成趣；岸邊滿布水生植物，平沙上禽鳥成群，生意盎然，開後世自然山水宮苑的先河。遺憾的是，這座宮殿於西漢末年毀於戰火，但遺址至今猶存。
建章宮中的這些建築，較利用龍首塬建成的長樂、未央二宮更為高大雄偉。在漢武帝看來，這座新皇宮才能與自己的雄才大略相匹配，才可以作為自己豐功偉績、國家繁榮昌盛的標誌。因此，建章宮落成後，漢武帝索性把皇宮搬了進去，他統治後期大部分時光都是在這裏度過的。
在興建建章宮的同時，對長安故城的修繕、改造工程也在大規模地進行。長安故城南部由於長樂、未央兩宮占地已經用盡，連兩宮之間都建立了武庫，因此，新的工程多半在北部進行。
其中新建明光宮、桂宮及對北工的改建工程最為浩大。漢武帝一代長安風貌之特色大致體現在這一區域中。漢武帝太初四年（前101年），在長樂宮北原北宮屬地中興建了明光宮。
明光宮要比長樂宮小，但與未央宮規模相當，甚至較大一些。它的具體地點不清楚，一般認為其地望當年在清明門大街以北，宣平門大街以南，安門大街以東，東城牆以西範圍之內。根據班固的《西都賦》和張衡的《西京賦》所說，明光宮與長樂宮、桂宮以及未央宮之間皆有閣道相連，構成一個信息通暢、聯係便利的整體。
在修建過程中，明光宮繼承和借鑒了以前宮殿雄偉、富麗的特點，同時在設計上作了大膽突破：殿宇高大，多柱而少牆，采光條件好，空氣流動通暢，穿行殿中雖酷暑也不覺熱，視野開闊，登殿台可望渭河，西臨西市、東市，長安富庶可盡收眼底，是漢武帝在長安城中消閑避暑的好去處。
明光宮東部與城垣相抵，有宣平門、清明門兩大城門與城外相通。
宣平門又叫作東都門，是長安故城東北方向的城門，與宣平門相通的大道，即是明光宮的北界。清明門是故城東出第二門，由於此外也設有藉田倉，因此又稱藉田門。這裏所通大道是明光宮的南界。
而桂宮修建於太初四年（前101 年），又稱“四寶宮”。
桂宮位於長安城西部，在未央宮以北偏西，與北宮相鄰。南鄰直城門大街，東以橫門大街與北宮相望。其規模較長樂、未央等宮要小。桂宮宮城平麵矩形，東西寬800 米，南北長1800 米。宮中主要建築有龍樓門、鴻寧殿及明光殿、走狗台等。有閣道南通未央宮，西接建章宮神明台。桂宮是漢武帝時期後妃居住生活的宮殿，建築十分奢華。
鴻寧殿是桂宮中的正殿，後來逐漸成為後妃的私人居處，漢武帝的傅昭儀就曾長住此殿。到哀帝建平三年（前4 年）正月，鴻寧殿毀於火災，以後再沒恢複過。
北宮最早應是長安城北部宮殿群的一個泛稱。但隨著新建各宮範圍的逐步確立，北宮的實際範圍也漸漸縮小，並最終成為一組固定宮殿的名稱。這與西漢其他宮殿均有正名是不一樣的。北宮是長安諸宮中唯一以方位命名的宮殿。
北宮位於漢長安城未央宮東北、桂宮以東，在今六村堡鄉袁家堡一帶。北宮建築富麗堂皇，宮中有“珠簾玉戶如桂宮”的前殿，還有用以供奉和舉行祭祀神仙活動的壽宮與神仙宮，以及皇太子居住的太子宮、甲觀、丙殿、畫堂等。北宮與未央宮之間，以紫房複道相通。
北宮主要作為後妃的宮殿，大多居住著一些被皇帝廢除或是被貶的後妃。西漢初年，呂太後去世之後，諸呂勢力被翦，孝惠張皇後被廢處北宮。哀帝去世後，王莽貶皇太後趙氏，也徙居於北宮。
漢武帝時期，在大興土木籌建新宮的過程中對北宮進行了大規模增修。這些增修多半側重於內部裝潢、修飾。與桂宮不同，北宮用以供奉、祭祀、求仙的成分更多。
北宮之中建有神仙宮、壽宮，其“張羽旗，設供具，以禮神君”。為使神君到來能讓人盡快發現，宮中廣布帷帳，可是吹動這些帳幕的卻是北邊渭河一帶的潮濕的空氣，而不是漢武帝所企望的神氣仙風。
北宮中還建有專供皇太子所居的宮殿，及其附屬建築丙殿、甲觀、畫堂等。太子居住、學習、聽講、受詔大都在這個地方。
上林苑是中國秦漢時期的皇家園林，始建於秦始皇時期。而上林苑的擴建，始於漢武帝時期。建元三年（前138 年），漢武帝命太中大夫吾丘壽王在今三橋鎮以南、終南山以北、周至以東、曲江池以西的範圍內，開始擴建上林苑，並有償征收這個範圍內民間的全部耕地和草地，用以修建苑內的各種景觀。
後來，上林苑進一步向東部和北部擴展：北部擴至渭河北，東部擴至滻、灞以東，形成了前所未有的規模，進入了它的鼎盛時期。
上林苑地跨長安、鹹陽、周至、戶縣、藍田五縣境，縱橫三百裏，南部是由今藍田的焦岱鎮開始，向西經長安的曲江池、樊川，沿終南山北麓西至周至；有灞、滻、涇、渭、灃、滈、澇、潏八條河出入其中。根據《關中記》記載，上林苑中有36 苑、12 宮、35 觀。36 苑中有供遊憩的宜春苑，供禦人止宿的禦宿苑，為太子設置招賓客的思賢苑、博望苑等。
上林苑中修築有大型宮城建章宮，還有一些各有用途的宮、觀建築。如演奏音樂和唱曲的宣曲宮；觀看賽狗、賽馬和觀賞魚鳥的犬台宮、走狗觀、走馬觀、魚鳥觀；飼養和觀賞大象的觀象觀；觀賞白鹿的白鹿觀；引種西域葡萄的葡萄宮和養南方奇花異木如菖蒲、山薑、桂、龍眼、荔枝、檳榔、橄欖、柑橘之類的扶荔宮；角抵表演場所平樂觀；養蠶的繭觀；還有承光宮、儲元宮、陽祿觀、陽德觀、鼎郊觀、三爵觀等。
上林苑中還有許多池沼，見於記載的有昆明池、鎬池、祀池、麋池、牛首池、蒯池、積草池、東陂池、當路池、太液池、郎池等。
上林苑地域遼闊，地形複雜，有極為豐富的天然植被和人工種植的樹木。近旁豢養百獸，放逐各處。還設大量台觀建築及供應皇室所需的手工作坊。
秦漢的上林苑，用太液池所挖土堆成島，象征東海神山，開創了人為造山的先例。但是，上林苑曆經昭、宣二帝之後，到漢元帝時，因朝廷不堪重負而裁撤了管理上林苑的官員，同時把宜春苑所占的池、田發還給了貧民使用。
漢成帝時，又將“三垂”的苑地劃給了平民。西漢末年，王莽於地皇元年（前20 年），拆毀了上林苑中的十餘處宮館，取其材瓦，營造了9處宗廟；接踵而來的是王莽政權與赤眉義軍爭奪都城的戰火，使上林苑遭受了毀滅性的劫難。
《西都賦》中說道“徒觀跡於舊墟，聞之乎故老”，說明東漢初期班固在寫《西都賦》時，上林苑已是一片廢墟了。上林苑自秦至西漢，在中國曆史上存在了二百四十多年。
在擴建、經營上林苑的過程中，有一件事情或多或少與當時的政治征伐有些關係，這便是昆明池的開鑿。昆明池是漢武帝元狩四年（前119 年）所鑿，在長安西南，周長40 裏，列觀環之，又造樓船高十餘丈，上插旗幟，十分壯觀。
據《史記·平準書》和《關中記》，修昆明池是用來訓練水軍的。元狩（前122―前117 年）年間，地處今雲貴一帶的昆明國經常幹擾西漢王朝對南方及西南的經略，漢武帝欲興兵討伐。但征伐必通過滇池這個方圓300 裏的太湖，而漢樓船軍建製尚未完備，且水戰技能也不高，於是，漢武帝很生氣。
便詔令加緊訓練水軍，同時在上林苑中劃出一塊舊沼地，動工開鑿一個模擬滇池的人工湖泊。第一，可以看看究竟是什麽天險能夠阻擋漢武帝天兵；第二，則可以通過演習，檢驗水軍的訓練成果。
元狩三年（前120 年）昆明池正式開工，地址就選在上林苑內距長安西門30 裏外。那時，漢武帝聽說這個地方是原來周王朝的“靈詔”
所在地，這裏的地勢低窪，水量較小。開鑿昆明池所動用的勞役是從隴西北、上郡一帶的戍卒中選取一半為主體，又征發了被貶謫的官吏，數量很龐大。
工程主要目的在於拓寬加深“靈詔”，並擴其地以像滇池。其附近有“上林八水”中的四條——灃河、滈河、潏水、皂水，且其水量豐富，可以通船，這樣就保證了昆明池的水源供應，不久便建成了一個景色迷人的大型人工湖泊。
由於水質清澈，川流不息，昆明池實際上對解決長安城的供水問題起了重大作用。長安城曆經漢唐兩代繁華，其水資源豐富，昆明池功不可沒。因此，當其最早用作水軍訓練的功能消失後，曆代皇帝仍不斷對昆明池及其泄水道、引水渠加以疏浚。因此得以水盛不衰。