汉高帝时期，先把秦的离宫兴乐宫改建为长乐宫，后来在长乐宫以西建筑了未央宫，在未央宫以北草创了北宫，在长乐与未央之间是长安军械大库所在地，称武库。到汉惠帝时，长安城墙才基本完成修筑，并建立西市。
早期的国都长安，只利用秦时的旧宫加以改造，并以此为基础加以配套工程完善，从东到西，太仓、长乐宫、武库和未央宫，形成一横排的大小建筑群，布局也都是坐西朝东，加上汉惠帝时期的城墙，基本上形成了早期长安的规模。
当时长安城内，南部和中部除了宫殿外，还有宗庙、中央官署、三辅官署及各种仓库，这样一来，城中剩余的空间就很小了。加之诸侯、大臣、富豪的住宅，长安城内没有什么空地。因此，后来长安的发展，逐渐越出汉惠帝城墙的界限，开始向外发展，这样一来，早期长安逐步成为广义长安的内城。长安城的扩建，与帝国政治经济的恢复、发展是密不可分的。
建章宫是汉武帝时期建造的一个大型宫殿群，性质上虽属于离宫，但日后逐步具有政治性办公职能。它位于长安城西，在直城门外的上林苑内，其宫殿楼台之多，远非长乐、未央所能比拟，号称“千门万户”。
据说，汉武帝修建建章宫的理由是源于一场宫廷火灾和一个荒诞不经的南方风俗。太初元年（前104 年），未央宫附近有名的柏梁台失火被焚。
事后有一个南粤巫师站出来告诉汉武帝，他说：“在他的老家，失火之后要建一座比失火建筑更大、更华丽的建筑将火魔活活气死后，就可保平安无事。”
汉武帝听完这话，便信以为真。在太初元年（前104 年）开始兴建建章宫。由于其设计规模宏大，加之长安故城中用地紧张，因此选址在故城以西。实际上，汉武帝是把建章宫当成他的新皇宫来兴建的。从建章宫的布局来看，从正门圆阙、玉堂、建章前殿和天梁宫形成一条中轴线，其他宫室分布在左右，全部围以阁道。宫城内北部为太液池，筑有三神山，宫城西面为唐中庭、唐中池。
中轴线上有多重门、阙，正门曰阊阖，也叫璧门，高25 丈，是城关式建筑。后为玉堂，屋顶上有铜凤，高5 尺，饰黄金，下有转枢，可随风转动。在璧门北，其左有别凤阙，其右有井干楼。进圆阙门内200 步，最后到达建在高台上的建章前殿，气魄十分雄伟。宫城中还分布众多不同组合的殿堂建筑。
璧门之西有神明台，它是建章宫中最为壮观的建筑物。汉武帝好神仙求长生，与秦始皇相比，有过之而无不及，在宫殿建筑上当然时时不忘表达对神仙的向往、仰慕。在虔诚祈祷、顶礼膜拜的同时，他专门建立求仙用的宫殿设施，可谓费尽心机。
神明台高达50 丈，台上有铜铸的仙人，仙人手掌有7 围之大，至于仙人之巨大可想而知。仙人手托一个直径27 丈的大铜盘，盘内有一巨型玉杯，用玉杯承接空中的露水，故名“承露盘”。
汉武帝以为喝了玉杯中的露水就是喝了天赐的“琼浆玉液”，久服便可益寿成仙。神明台上除“承露盘”外，还设有九室，象征九天。常住道士、巫师百余人。巫师们说，在高入九天的神明台上可和神仙为邻通话。
神明台保持了三百年，魏文帝曹丕在位时，承露盘尚在。魏文帝想把它搬到洛阳。搬动时因铜盘过大而折断，断声远传数十里。铜盘勉强搬到灞河边，因太重再也无法向前挪动而弃置，后不知所终。神明台历经两千多年风吹雨打，至今只余千疮百孔的夯土台基，立于台上观赏，仍可遐想“立修基之仙掌，承云表之清露”的古汉风韵。
建章宫北为太液池。太液池位于建章宫前殿西北，象征北海，占地10 顷，是渠引昆明池水而形成的一个范围宽广的人工湖。遗址在三桥镇高堡子、低堡子村西北一片洼地处。
池北岸有人工雕刻而成长3 丈、高5 尺的大石鲸，西岸有6 尺长的石鳖3 枚，另有各种石雕的鱼龙、奇禽、异兽等。池中建有高达二十余丈的渐台。为了求神祈仙，汉武帝还在池中筑有3 座假山，以像东海中的瀛洲、蓬莱、方丈三座神山。
太液池湖光水色，山水相映，景色宜人，是建章宫中著名的风景区。
池中置有鸣鹤舟、容与舟、清旷舟、采菱舟、越女舟等各种游船。汉成帝常在秋高气爽之季与后妃赵飞燕泛舟戏游于湖中。太液池作为一个大的人工湖，为建章宫提供了大量蓄水。
太液池三神山源于神仙传说，据之创作了浮于大海般巨浸的悠悠烟水之上，水光山色，相映成趣；岸边满布水生植物，平沙上禽鸟成群，生意盎然，开后世自然山水宫苑的先河。遗憾的是，这座宫殿于西汉末年毁于战火，但遗址至今犹存。
建章宫中的这些建筑，较利用龙首塬建成的长乐、未央二宫更为高大雄伟。在汉武帝看来，这座新皇宫才能与自己的雄才大略相匹配，才可以作为自己丰功伟绩、国家繁荣昌盛的标志。因此，建章宫落成后，汉武帝索性把皇宫搬了进去，他统治后期大部分时光都是在这里度过的。
在兴建建章宫的同时，对长安故城的修缮、改造工程也在大规模地进行。长安故城南部由于长乐、未央两宫占地已经用尽，连两宫之间都建立了武库，因此，新的工程多半在北部进行。
其中新建明光宫、桂宫及对北工的改建工程最为浩大。汉武帝一代长安风貌之特色大致体现在这一区域中。汉武帝太初四年（前101年），在长乐宫北原北宫属地中兴建了明光宫。
明光宫要比长乐宫小，但与未央宫规模相当，甚至较大一些。它的具体地点不清楚，一般认为其地望当年在清明门大街以北，宣平门大街以南，安门大街以东，东城墙以西范围之内。根据班固的《西都赋》和张衡的《西京赋》所说，明光宫与长乐宫、桂宫以及未央宫之间皆有阁道相连，构成一个信息通畅、联系便利的整体。
在修建过程中，明光宫继承和借鉴了以前宫殿雄伟、富丽的特点，同时在设计上作了大胆突破：殿宇高大，多柱而少墙，采光条件好，空气流动通畅，穿行殿中虽酷暑也不觉热，视野开阔，登殿台可望渭河，西临西市、东市，长安富庶可尽收眼底，是汉武帝在长安城中消闲避暑的好去处。
明光宫东部与城垣相抵，有宣平门、清明门两大城门与城外相通。
宣平门又叫作东都门，是长安故城东北方向的城门，与宣平门相通的大道，即是明光宫的北界。清明门是故城东出第二门，由于此外也设有藉田仓，因此又称藉田门。这里所通大道是明光宫的南界。
而桂宫修建于太初四年（前101 年），又称“四宝宫”。
桂宫位于长安城西部，在未央宫以北偏西，与北宫相邻。南邻直城门大街，东以横门大街与北宫相望。其规模较长乐、未央等宫要小。桂宫宫城平面矩形，东西宽800 米，南北长1800 米。宫中主要建筑有龙楼门、鸿宁殿及明光殿、走狗台等。有阁道南通未央宫，西接建章宫神明台。桂宫是汉武帝时期后妃居住生活的宫殿，建筑十分奢华。
鸿宁殿是桂宫中的正殿，后来逐渐成为后妃的私人居处，汉武帝的傅昭仪就曾长住此殿。到哀帝建平三年（前4 年）正月，鸿宁殿毁于火灾，以后再没恢复过。
北宫最早应是长安城北部宫殿群的一个泛称。但随着新建各宫范围的逐步确立，北宫的实际范围也渐渐缩小，并最终成为一组固定宫殿的名称。这与西汉其他宫殿均有正名是不一样的。北宫是长安诸宫中唯一以方位命名的宫殿。
北宫位于汉长安城未央宫东北、桂宫以东，在今六村堡乡袁家堡一带。北宫建筑富丽堂皇，宫中有“珠帘玉户如桂宫”的前殿，还有用以供奉和举行祭祀神仙活动的寿宫与神仙宫，以及皇太子居住的太子宫、甲观、丙殿、画堂等。北宫与未央宫之间，以紫房复道相通。
北宫主要作为后妃的宫殿，大多居住着一些被皇帝废除或是被贬的后妃。西汉初年，吕太后去世之后，诸吕势力被翦，孝惠张皇后被废处北宫。哀帝去世后，王莽贬皇太后赵氏，也徙居于北宫。
汉武帝时期，在大兴土木筹建新宫的过程中对北宫进行了大规模增修。这些增修多半侧重于内部装潢、修饰。与桂宫不同，北宫用以供奉、祭祀、求仙的成分更多。
北宫之中建有神仙宫、寿宫，其“张羽旗，设供具，以礼神君”。为使神君到来能让人尽快发现，宫中广布帷帐，可是吹动这些帐幕的却是北边渭河一带的潮湿的空气，而不是汉武帝所企望的神气仙风。
北宫中还建有专供皇太子所居的宫殿，及其附属建筑丙殿、甲观、画堂等。太子居住、学习、听讲、受诏大都在这个地方。
上林苑是中国秦汉时期的皇家园林，始建于秦始皇时期。而上林苑的扩建，始于汉武帝时期。建元三年（前138 年），汉武帝命太中大夫吾丘寿王在今三桥镇以南、终南山以北、周至以东、曲江池以西的范围内，开始扩建上林苑，并有偿征收这个范围内民间的全部耕地和草地，用以修建苑内的各种景观。
后来，上林苑进一步向东部和北部扩展：北部扩至渭河北，东部扩至浐、灞以东，形成了前所未有的规模，进入了它的鼎盛时期。
上林苑地跨长安、咸阳、周至、户县、蓝田五县境，纵横三百里，南部是由今蓝田的焦岱镇开始，向西经长安的曲江池、樊川，沿终南山北麓西至周至；有灞、浐、泾、渭、沣、滈、涝、潏八条河出入其中。根据《关中记》记载，上林苑中有36 苑、12 宫、35 观。36 苑中有供游憩的宜春苑，供御人止宿的御宿苑，为太子设置招宾客的思贤苑、博望苑等。
上林苑中修筑有大型宫城建章宫，还有一些各有用途的宫、观建筑。如演奏音乐和唱曲的宣曲宫；观看赛狗、赛马和观赏鱼鸟的犬台宫、走狗观、走马观、鱼鸟观；饲养和观赏大象的观象观；观赏白鹿的白鹿观；引种西域葡萄的葡萄宫和养南方奇花异木如菖蒲、山姜、桂、龙眼、荔枝、槟榔、橄榄、柑橘之类的扶荔宫；角抵表演场所平乐观；养蚕的茧观；还有承光宫、储元宫、阳禄观、阳德观、鼎郊观、三爵观等。
上林苑中还有许多池沼，见于记载的有昆明池、镐池、祀池、麋池、牛首池、蒯池、积草池、东陂池、当路池、太液池、郎池等。
上林苑地域辽阔，地形复杂，有极为丰富的天然植被和人工种植的树木。近旁豢养百兽，放逐各处。还设大量台观建筑及供应皇室所需的手工作坊。
秦汉的上林苑，用太液池所挖土堆成岛，象征东海神山，开创了人为造山的先例。但是，上林苑历经昭、宣二帝之后，到汉元帝时，因朝廷不堪重负而裁撤了管理上林苑的官员，同时把宜春苑所占的池、田发还给了贫民使用。
汉成帝时，又将“三垂”的苑地划给了平民。西汉末年，王莽于地皇元年（前20 年），拆毁了上林苑中的十余处宫馆，取其材瓦，营造了9处宗庙；接踵而来的是王莽政权与赤眉义军争夺都城的战火，使上林苑遭受了毁灭性的劫难。
《西都赋》中说道“徒观迹于旧墟，闻之乎故老”，说明东汉初期班固在写《西都赋》时，上林苑已是一片废墟了。上林苑自秦至西汉，在中国历史上存在了二百四十多年。
在扩建、经营上林苑的过程中，有一件事情或多或少与当时的政治征伐有些关系，这便是昆明池的开凿。昆明池是汉武帝元狩四年（前119 年）所凿，在长安西南，周长40 里，列观环之，又造楼船高十余丈，上插旗帜，十分壮观。
据《史记·平准书》和《关中记》，修昆明池是用来训练水军的。元狩（前122―前117 年）年间，地处今云贵一带的昆明国经常干扰西汉王朝对南方及西南的经略，汉武帝欲兴兵讨伐。但征伐必通过滇池这个方圆300 里的太湖，而汉楼船军建制尚未完备，且水战技能也不高，于是，汉武帝很生气。
便诏令加紧训练水军，同时在上林苑中划出一块旧沼地，动工开凿一个模拟滇池的人工湖泊。第一，可以看看究竟是什么天险能够阻挡汉武帝天兵；第二，则可以通过演习，检验水军的训练成果。
元狩三年（前120 年）昆明池正式开工，地址就选在上林苑内距长安西门30 里外。那时，汉武帝听说这个地方是原来周王朝的“灵诏”
所在地，这里的地势低洼，水量较小。开凿昆明池所动用的劳役是从陇西北、上郡一带的戍卒中选取一半为主体，又征发了被贬谪的官吏，数量很庞大。
工程主要目的在于拓宽加深“灵诏”，并扩其地以像滇池。其附近有“上林八水”中的四条——沣河、滈河、潏水、皂水，且其水量丰富，可以通船，这样就保证了昆明池的水源供应，不久便建成了一个景色迷人的大型人工湖泊。
由于水质清澈，川流不息，昆明池实际上对解决长安城的供水问题起了重大作用。长安城历经汉唐两代繁华，其水资源丰富，昆明池功不可没。因此，当其最早用作水军训练的功能消失后，历代皇帝仍不断对昆明池及其泄水道、引水渠加以疏浚。因此得以水盛不衰。