明太祖朱元璋于洪武元年（1368）正月在应天（今南京）称帝。八月，定应天为南京，汴梁（今开封）为北京，元大都改称北平府。洪武三年（1370）四月，朱元璋封第四子朱棣为燕王。洪武十三年（1380）三月，燕王朱棣就藩北平。洪武三十一年（1398）朱元璋死，其孙朱允文继位，是为建文帝。朱棣在建文元年（1399）起兵北平，发动靖难之役，于建文四年（1402）攻下南京，夺取帝位。成祖朱棣永乐元年（1403）正月，升北平为北京，北京之名即由此始。二月，改北平府为顺天府。永乐四年（1406），朱棣下诏迁都北京，以北京为京师，南京为陪都。
明北京城是在元大都的基础上，参酌南京城池宫殿规制而营建的，分宫城、皇城、内城和外城四重。宫城又称紫禁城，周长6里，城墙高7.9米，内外砖砌，外围护城河，四隅角楼，巍然高耸。宫城有六门，正南第一重为承天门（清改为天安门，第二重为端门，第三重为午门，东为东华门，西为西华门，北为玄武门（清改为神武门）。宫城内，前部为皇帝坐朝和举行大典的外朝，以奉天（后改为皇极）、华盖（后改为中极）、谨身（后改为建极）三大殿为主体，文华殿和武英殿为两翼。后部为皇帝和后妃居住的内廷，以乾清宫、交泰殿、坤宁宫为主体，东六宫和西六宫为两翼。最后为御花园。
皇城在宫城的外面，周围18里，有六门；正南为大明门（清改为大清门），大明门东转为长安左门，西转为长安右门，东为东安门，西为西安门，北为北安门（清改为地安门）。承天门内东西朝房两旁，布置了“左祖右社”的太庙和社稷坛。这样的布置改变了元朝“左祖右社”远离皇城的布局，使太庙与社稷坛紧连着皇城。承天门前有一条宽阔的御道，两旁有联檐通脊的千步廊，组成“Τ”字形广场。广场两侧宫墙的外面，左文右武，对称地排列着中央政府的主要官署，从而改变了元大都城内中央衙署分散的布置。这样，宫前的中央官署和“左祖右社”，宫后的御宛，宫左的皇史宬，宫右的太液池等，都围在皇城之内。
内城又在皇城的外面（内城称京城，又称大城，后来增筑外城，才有内城之称），城周长45里，城墙高约12米，全部用砖包砌，开有九个城门：东为东直门、朝阳门，南为崇文门、正阳门、宣武门，西为阜成门、西直门，北为德胜门、安定门。正统四年（1439）修成内城九门城楼，各门外建牌楼，城四隅立角楼，又深浚壕堑，砌以砖石，并改九门木桥为石桥。正阳、崇文、宣武等门，各设水关，内外三层，分设铁栅。
外城环内城南面，转抱东西角楼。外城增筑较晚。嘉靖二十九年（1550），俺答曾率鞑靼兵攻到北京城下。明廷为加强京师城防，仿“城必有郭，城以卫民，郭以卫城”之制，于嘉靖四十三年（1564）只修了环抱南郊的外城。外城长28里，共有七门：东为东便门、广渠门，南为左安门、永定门、右安门，右为广宁门（清改为广安门）、西便门。修筑了外城的门楼和瓮城，绕外城挖了护城河，东便门与西便门各设水关和铁栅栏。于是，北京城平面呈“凸”字的图形。
明代北京城由一条8公里的中轴线纵贯南北为全城布局的依据。外城南边正中的永定门，是这条中轴线的起点，皇城后门之北的钟鼓楼，是这条中轴线的终点。外城、内城、皇城和宫城，都以这条中轴线而对称展开。以紫禁城为中心的北京城的建设，反映了当时国力的强盛和建筑技术的高超。永乐年间负责宫殿和其它工程的，是几个工匠出身的建筑师，包括木工蒯祥、瓦工杨青和石工陆祥等人。明代还大规模地兴建长城，今存长城多为明建。
永乐年间，由于移民、军户等对郊区进行屯田垦荒，北京的农业生产有很大的发展。除种植杂粮外，水稻的种植更为普遍。京郊的园艺业发展更快。海淀一带农民以种菜为业，有的菜农还发展了“穴地笼火”种植法，在冬天也能种出新鲜蔬菜。丰台草桥一带农民以种花为业，著名的有牡丹、芍药。
永乐帝迁都以后，每年有数以万计的轮班匠来京服役，还有数万户住坐匠从南京等地搬来。全国各地能工巧匠聚集北京，促进了北京手工业的发展。其中建筑、木制、凿石、烧灰、琉璃等行业，为建造北京宫殿、城垣、坛庙、宛囿等作出了贡献。兵仗工匠（如弓箭匠、火药匠）和军器工匠，制造各种军械、火器，变化百出。手工业中的特种工艺，景泰蓝制品，因明景泰年间的产品极为精美而得名，几百年来一直驰誉中外。
北京的商业区位于正阳门外和东四牌楼、西四牌楼。正阳门大街以东有果子市、鲜鱼口、瓜子店，以西有珠宝市、粮食店、煤市街、钱市胡同等，都是各种专业市场的名称。东四牌楼附近有猪市大街、小羊市、礼士胡同（驴市胡同），西四牌楼附近有马市大街、羊市大街、缸瓦市、粉子胡同等，都是热闹的商业区。除商业市场外还有集市。东安门的内市、都城隍庙的庙会、东四牌楼以南的灯市等，都定期开市。
明朝最高学府国子监有两处，在南京的叫南监，在北京的叫北监。永乐年间在北京国子监学习的学生约有一万人。其中还有朝鲜、■罗和安南的学生。明朝规定三年举行一次会试和殿试，每隔三年就有成千上万的考生齐集北京。从永乐十三年乙未科（1415）开始在北京举行会试，到崇祯十六年癸未科（1643），共开78科，22967人成为进士。明政府还在太医院、钦天监、四译馆内设科，培养医药学、天文学等方面的人才。四译馆分为八个馆，学生们在这里学习少数民族和全国的语言文字，如蒙古文、藏文、维吾尔文和缅甸文、梵文等。
京师的戏坛，在元杂剧的传统艺宛里又移植了源出苏州、昆山一带的昆曲。在明朝后期曾演出汤显祖的《牡丹亭》。此外，在北京街头说书、弹词、演杂技、弹三弦、吹洞箫、弹琵琶的也空前兴盛。
科技方面，明代后期出现了李时珍、徐光启、徐霞客和宋应星等科学家。李时珍曾任职于为宫廷服务的太医院。徐霞客曾旅游京师。宋应星两次赴京应试。徐光启长期任职京师，官至礼部尚书兼内阁大学士，撰写了《农政全书》。意大利传教士利玛窦在万历二十九年（1601）来到北京，带来了《万国舆图》等西方科技著作，一面传教，一面传播西方的自然科学。徐光启与利玛窦合作译出了有名的《几何原本》。利玛窦死后葬在北京（今阜成门外车公庄）。万历年间，制作出纪限大仪、平悬浑仪等新的天文仪器，放置在观象台。
明代文化艺术水平的提高，还可见之于北京各寺院的木雕、石雕、铜雕、塑像和绘画等方面的成就，如大慧寺殿内的塑像，法海寺殿内的壁画，智化寺内的雕刻，真觉寺（五塔寺）塔上的浮雕。以上这些，均为明代的艺术珍品。
明朝前期国力强盛，蒙古三大部（鞑靼、瓦剌、兀良哈）的首领都曾接受明的封爵。随着明朝国势的转弱，蒙古各部频频南扰；女真族又崛兴东北，与明对抗。崇祯十七年（1644）三月十八日，李自成率军攻破北京外城。第二天，崇祯帝自缢死，明亡。原明宁远总兵吴三桂降清。四月间，李自成领兵东征，山海关一战，失利败回，于四月二十七日退回北京。二十九日在武英殿即皇帝位，三十日率大顺军退出北京，随之清军进入。 | 
