北京地处华北平原的西北部，地势西北高东南低。其东、北、西三面群山环绕，北京小平原由东南伸向华北大平原，恰似一个海湾，人称“ 北京湾”。
北京的西部，是西北一东南走向巍巍太行山的余脉，通称为西山，西山有北京市最高峰—— 灵山，海拔2303米。山峦叠嶂的磨石口(今模式口) 是古今出入京西的门户，为沟通京师与直隶、山西的要道。磨石口古隘口位于蟠龙山(俗称白家坡) 和黑头山(俗称杨家坡) 的交汇处。隘口起始年代不详。二百余年前，古隘口路窄坡陡，地势险要，成为一道天然屏障，历代兵家均在此设防。
三国时期，魏齐王嘉平二年(250) 六月，镇北将军刘靖在今模式口西南修筑北京地区最早的水利工程一一戾陵堰，开车箱渠，屯田种稻，巩固边防。明代磨石口设千户所，由千户(金代始置，位于守备之下，正六品) 把守。千户所下设百户所十个。据《明代的军兵》载，百户所下设百户(明代始置，位于千户之下，正七品) 一人，下设二总旗：总旗设总旗官一人，下设五小旗；小旗设小旗官一人，兵十人。磨石口设千户所，共有兵1120人，相当于今两个营的兵力。清代不仅沿袭明制，在磨石口设千总把守，而且还统管着鲁谷等五叶十三个村庄的治安和缉盗，从而成为名副其实的京西重镇。
京西古道，东连京师，西通塞外，为沟通北京与河北、山西的要道，历史上曾发挥过十分重要的作用。3000多年前，时值公元前11世纪中叶，周武王灭商，建立西周王朝，封帝尧(一说黄帝) 之后于蓟，都城蓟在北京城区西南部广安门一带；封召公奭于燕，都城在房山区琉璃河以北的董家林。召公奭位居太保，为西周辅臣之一。后来，蓟国衰落，约在西周未年被燕国兼并，燕遂迁都蓟城。当时，石景山地区为燕国都城蓟西郊风景区.
春秋时期，燕国在众诸侯国中较为弱小。公元前697年，受山戎部落(居住在河北东北部的东胡部族) 威胁，燕桓侯曾迁都临易(今河北省雄县境)。公元前664年，山戎大举进犯燕国，燕庄公求助于齐。齐桓公亲自挂帅，北伐山戎，乘胜追击至孤竹(今河北卢龙)。公元前657年，燕襄公迁燕都回蓟城。
燕昭王(前311—前279) 即位后，于今石景山区衙门口村附近的碣石坪筑碣石宫和黄金台( 《光绪顺天府志》载：“ 衙门口村，旧有碣石宫近此”。) 今石景山区古城村南隔石景山路百余米处(今首钢设计院以南)，旧有以(金) 黄油沙土堆起五、六亩大，一房多高土丘广处，疑为黄金台遗址。
燕将胡开北攻东胡，拓地千余里。遂置上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东五郡，并沿北部边境修筑长城。燕长城北起昌平山地，南入门头沟区境，经黄草梁(海拔1737米)、东灵山(海拔2303米)、河北省涿鹿县道沟等地，延伸到河北省易县紫荆关。当时的京西(石景山地区和门头沟地区) 属燕国都邑地和上谷郡。
秦始皇兼并六国，建立统一的封建国家后，蓟城成为其东北方的重镇。
汉武帝元狩六年(前117)，封刘旦为燕王。昭帝元凤元年(前80) 九月，燕王刘旦谋反失败，自杀葬于梁山(今石景山)，建戾陵，改燕国为广阳郡，石景山地区和门头沟地区东部属广阳郡蓟县地。
三国时期，魏齐王嘉平二年(250) 六月，镇北将军刘靖组织军士，在梁山(今石景山) 侧澡水(今永定河)筑堰。堰高一丈，东西长三十余丈，南北宽七十余步。因堰的位置距戾陵较近，故称戾陵堰。并于堰侧东岸开挖车箱渠，以堰拦河水入车箱渠，向东流入高良(粱) 河。元帝景元三年(262)，樊晨奉命改造戾陵堰，重修引水口，延伸水道东达潞水(今潮白河)。
永定河发源于山西省宁武县管涔山，流经内蒙古、河北，经北京转入河北，在天津汇于海河至塘沽注入渤海。永定河全长548公里，自门头沟区三家店流入石景山区后，流经五里坨、麻峪、庞村、水屯等地，经衙门口村南流入丰台区。永定河，古称澡水，隋代称桑干河、金代称卢沟，每年7至8月汛期。河水自燕山峡谷急泄，两岸峭壁林立，落差为320：1，最大流量5200立方/秒左右。河水挟带大量泥沙，河水浑浊，年含泥量3120万吨。元、明代有浑河、小黄河等别称。由于河迁徙无常，俗称无定河，历史上曾留下多条故道。其中离北京较近的大型故道有3条：第一条古故道由衙门口东流，沿八宝山北侧转向东北，经海淀，循清河向东与温榆河相汇。第二条西汉前故道自衙门口东流，经田村、紫竹院，由德胜门附近入城内诸“ 海”，转向东南，经正阳门、鲜鱼口、红桥、龙潭湖流出城外。第三条三国至辽代故道，自卢沟桥一带，经看丹村、南苑到马驹桥。史载这一故道历时900余年，一直到清康熙三十七年(1698)，进一步疏浚河道，加固岸堤，才将史称无定河改名为永定河。
1100多年前，石景山地澡水(今永定河)东岸形成麻峪、庞村、新安里(北辛安)、安祖寨(今衙门口)、鲁国(今鲁谷)、磨石口(今模式口)、古城、石槽等古代村落。
唐玄宗天宝元年(742)，幽州改称“ 范阳郡”，析蓟县西部地置广宁、广平二县。石景山地区属幽都县、广平县地，广平县治在今石景山区古城村。门头沟地区东部属广平县地。唐末，幽州卢龙节度使刘仁恭建大安山馆(今门头沟区、房山区之间百花山、庙安岭、大安山地区)，废广平县，置玉河县，县治在新城村(今东、西辛秤村)。石景山地区属幽都县、玉河县地，门头沟地区大部分属玉河县，西北部属新州矾山县地。
赵其昌在《辽代玉河县考》依据玉河县废后曾长期存在的玉河乡地域，推断出玉河县大致辖域范围：北至妙峰山，东北至海淀区大觉寺、温泉一带，东界至石景山区鲁谷附近，南至房山原县城以南。
936年末，契丹进占燕云十六州。太宗会同元年(938) 十一月，升幽州为“ 南京”，又称燕京；设南京道，下辖幽都府；同时改国号为“ 辽”，石景山地区属南京道幽州府幽都县、玉河县地。门头沟地区东北部属幽都县，东南部和中、西部属玉河县，西北部属奉圣州矾山县。圣宗开泰元年(1012)，改幽都府为析津府，幽都县为宛平县。石景山地区属南京道析津府宛平县、玉河县地。门头沟地区东部和中、西部属玉河县，西北部属矾山县。
1122年底，金攻占南京。北宋徽宗宣和五年(1123) 五月，金国将燕京交给北宋。改燕京为“ 燕山府”，析津府改为“ 燕山府路”，石景山地区属燕山府燕山府路宛平县、玉河县地。门头沟地区大部分属玉河县，西部属矾山县地。
金太宗天会三年(1125) 年底，金国夺占宋燕山府，恢复燕京和析津府，并置燕京路。熙宗天眷元年(1138)，废玉河县，辖地并入宛平县。石景山地区和门头沟地区大部分改属燕京路析津府宛平县。海陵王贞元元年(1153)，改燕京为“ 中都”，升为金国首都；改析津府为“ 永安府” (翌年又改为大兴府)，燕京路改为“ 中都路”，石景山地区和门头沟地区大部属中都路大兴府宛平县地。
金中都是在辽南京的基础上拓展东、南、西三面而成。海陵王于天德三年(1151) 四月颁发《议迁都燕京诏》，南京宫阙模仿汴京建造，工程相当浩大，分为城池扩建与宫殿兴修两部分。历时三年，宫城竣工，城周三十七余里，设城门十三座。
世宗大定十一年(1171) 十二月，于卢沟(今永定河) 戾陵堰引水灌溉的车箱渠故道开凿金口河，引水东下，经八宝山北麓，入中都城北护城河，东至通州，入潞水以利漕运。于沿河设闸，节制流水，故称“ 闸河”，为南北运河北段前身。因水流湍急，泥沙淤塞，不能行船，但可以灌田得利。大定二十七年(1187)，为免水患危及京城，世宗下令闭塞金口。
成吉思汗十年(1215)，蒙古军攻占中都，改中都为燕京，中都路改称燕京路。世祖至元元年(1264) 八月，改燕京为中都，燕京路改称中都路。至元八年(1271)，改国号为“ 元”。翌年二月，改中都为“ 大都”，中都路改称“ 大都路”。石景山地区和门头沟地区大部属大都路大兴府宛平县地。
至元三年(1266) 十二月，复凿金口渠，从磨石口西南的金口引水东流，以运西山木石。至元四年(1267) 正月，大都城建设破土动工，历时近二十年，大都城基本建成。城周五十七余里，外城设十一门，西面三门自北而南依次为肃清门(今学院南路西)、和义门(今西直门)、平则门(今阜成门)。至正二年(1342) 正月，中书参议孛罗帖木儿、都水监傅佐建议重开金口。“ 遂以正月兴工，至四月功毕，起闸放金口水，流湍势急，泥沙壅塞，船不可行。而开挑之际，毁民庐舍坟茔，夫丁死伤甚众。又费用不赀，卒以无功。继而御史纠劾建言者， 孛罗帖木儿、傅佐俱伏诛。” ( 《河渠志》)。不久，金口河废。
明洪武元年(1368) 八月，明军攻占大都城，将大都路改为“ 北平府”，永乐元年(1403) 正月，改北平为“ 北京”。二月改北平府为“ 顺天府”。石景山地区和门头沟地区大部属顺天府宛平县地。
明初，将元大都北城墙南移五里，奠定了明代北京城北界。永乐四年(1406)，成祖下诏迁都北京，开始重新营造北京城，至永乐十八年基本竣工，前后长达十五年之久。北京城设九门。
清顺治元年(1644) 五月，清军攻占北京，石景山地区和门头沟地区大部属顺天府宛平县。世宗雍正五年(1727)，勘立宛平县西界，石景山地区和门头沟地区属顺天府宛平县地。
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