西汉二百年在洛阳城市发展史上也非常重要，不能因为西汉时期洛阳大部分时间不是首都而忽视这段历史。
从周公营洛到秦汉洛阳城
西汉时期洛阳的城址就在今天白马寺东的汉魏洛阳故城。这个城，最早可追溯到西周初年周公营洛。《尚书·洛诰》篇记载：“我乃卜涧水东，瀍水西，惟洛食；我又卜瀍水东，亦惟洛食。”意思是说，周公营建洛阳城的时候，先后选了两处，一处在瀍河和涧河之间，一处在瀍河之东。瀍河与涧河之间的城址，后来发展为王城；瀍河之东的城址，后来发展为成周。春秋时期天子在王城。春秋末年，洛阳发生王子朝与王子猛争夺王位的斗争。王子猛和后来的周敬王选择迁居成周。成周最初仅是一处军事重镇，当天子到来之后，以晋国为首的中原诸侯对成周城进行了一次大规模扩建。
此后的战国时期，周天子在成周。周赧王时，周天子又迁往王城。战国末年，秦人先后攻占王城和成周，在此设三川郡。秦汉时期的洛阳城，就是在成周城的基础之上发展而来的。
吕不韦扩建与南宫、北宫
秦人攻占洛邑后，将洛阳作为丞相、文信侯吕不韦的封地。吕不韦大权在握，自然会对封地进行大力经营，洛阳城逐渐走向繁华，当时洛阳有十万户。
《史记·周本纪》集解引《皇览》记载吕不韦对洛阳城进行了大规模扩建：“景王冢在洛阳太仓中。秦封吕不韦洛阳十万户，故大其城，并围景王冢也。”周景王的墓葬本来在城外，因为吕不韦的扩建，周景王的墓葬被圈进了洛阳城。不过其具体位置还不清楚。
秦始皇亲政后，吕不韦遭到清算。吕不韦先是被罢免了丞相职务，后来秦始皇干脆下令将他流放到蜀地。吕不韦不愿受辱，索性自杀了事。吕不韦的妻子此前已经去世，吕不韦自杀后被葬入其妻的坟墓之中。当时不敢光明正大安葬吕不韦，所以这个坟墓就以吕不韦妻子的名义被称作吕母冢。如今的吕母冢在偃师高中的院内。
同样是在秦朝，洛阳城中已修建了南宫和北宫。西汉初年，刘邦在洛阳南宫置酒大宴群臣。唐朝张守节的《史记正义》引用《括地志》记载：“南宫在雒州雒阳县东北二十六里，洛阳故城中。”而且根据《舆地志》记载：“秦时已有南、北宫。”以常理而论，南宫的称谓肯定是相对北宫而言，如果没有北宫，则不会有南宫之名。清初学者顾炎武认为：“盖秦虽都关中，犹仿周东都之制，建宫阙于洛阳。”洛阳在秦朝，无东都之名，却有东都之实。
当时，洛阳城不仅有多座宫殿，而且还有复道，沟通各宫殿。刘邦在洛阳时，“上在雒阳南宫，从复道望见诸将，往往相与坐沙中语”。裴骃《史记集解》中说：“如淳曰：‘复音复，上下有道，故谓之复道。’韦昭云：‘阁道。’”至于南、北宫是什么时候修建的，其规模如何，史无明文。
西汉时期洛阳的军事地位与武库
秦末的农民战争和此后的楚汉相争中，洛阳城并未遭到破坏。后来，刘邦路过河北曲逆的时候，看到曲逆城也没有遭到破坏，他说：“壮哉县！吾行天下，独见洛阳与是耳。”在刘邦看来，天下除了曲逆之外，没有任何地方可以与洛阳比肩。也正是这个原因，才促使刘邦最初确定以洛阳为首都。
虽说由于条件所限，刘邦最终放弃定都洛阳，但是在西汉，洛阳始终具有重要地位，是朝廷控制东方的重镇。为此，西汉在洛阳城中专门修建了武库，充分彰显了西汉洛阳的军事色彩。
经过考古调查，西汉所建的武库应该在今汉魏洛阳城的东北区域。武库用来储存各种军事物资。朝廷派出军队征讨东方时，都要先到洛阳领取军需物资。汉景帝时爆发七国之乱，朝廷派太尉周亚夫领军出征。周亚夫也是先来到洛阳，然后再整军出发。洛阳的武库，有一名武库令负责管理。武库令虽说仅是六百石的中层官员，但因为其位置比较重要，所以朝廷往往会委派要人出任。比如汉昭帝时，丞相田千秋之子就被任命为洛阳的武库令。
西汉时期洛阳的经济繁荣与城市布局
随着天下局势的稳定，西汉时期洛阳也日益繁荣。洛阳虽然大部分时间不是首都，却因为其天下之中的区位优势发挥了经济中心的作用，如司马迁所云：“洛阳东贾齐、鲁，南贾梁、楚。”在西汉时期洛阳还出现了著名的富商师史，他的经营规模非常大，经营范围也非常广泛，“转毂以百数，贾郡国，无所不至”。师史之所以能成功，也与洛阳的地理位置有密切关系，“洛阳街居在齐秦楚赵之中”。而且洛阳本来就有经商的传统，师史积累了七千万钱的家产。
西汉时期洛阳城沿用了前代留下的城墙。如今在洛阳故城东北角，考古工作者做了一个城墙的剖面，从中可以看到西汉时期也有一些修葺。文献并未记载西汉时期洛阳有几座城门，从贾谊的上书看，至少洛阳城有上东门。西汉时期洛阳人口稠密，经济繁荣。众多人口不可能都住在内城。平民的居住区应该是在外城。不过，西汉是否修建了外郭城，其范围如何，未来还有待更深入的研究。