秦王嬴政二十六年（前221），秦灭掉最后一个诸侯国齐国，完成统一中国的大业，建立了中国历史上第一个强大的中央集权制的封建国家——秦朝。嬴政当上了中国历史上第一个皇帝，史称“秦始皇”。
秦朝废除了周朝分封诸侯的制度，而在“战国七雄”即秦、楚、齐、燕、韩、赵、魏七国已各自设置的多少不等的郡与县的基础上，进一步推行郡县制，在全国疆域内普遍设郡置县，由郡领县。郡有郡守、郡丞、郡尉、郡监等官；县有县令、县丞、县尉等官。县以下分置若干乡，乡以下分设若干亭，亭以下分为若干里。乡、亭、里的基层小吏由当地推举富庶人家的适龄男子担当。就这样，秦王朝通过郡、县和乡、亭、里等各级地方行政官吏实行对全国的统治。
《史记·秦本纪》说，秦朝起初吞并天下时，分天下为三十六郡。《汉书·地理志》也说，秦分天下作三十六郡。在《汉书·地理志》所列的诸多郡、国之下，清楚地注明是“秦置”，或“秦郡”，或“故秦某某郡”的，正是三十六个。其中，注明是“秦置”者，有河东、太原、上党、东郡、颍川、南阳、南郡、九江、巨鹿、齐郡、琅琊、会稽、汉中、蜀郡、巴郡、陇西、北地、上郡、云中、雁门、代郡、上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东、南海二十七郡。注明是“秦郡”者一个，即长沙国。注明是“故秦某郡”者八个，即河南郡，“故秦三川郡”；沛郡，“故秦泗水郡”；五原郡，“故秦九原郡”；郁林郡，“故秦桂林郡”；日南郡，“故秦象郡”；赵国，“故秦邯郸郡”；梁国，“故秦砀郡”；鲁国，“故秦薛郡”。秦有三十六郡，似乎没有疑问了。
但是，近代著名史学家王国维先生撰有《秦郡考》一文，文中说秦朝应有四十八郡。为什么呢？王国维先生说：“秦以水德王，故数以六为计。二十六年（前221），始分天下为三十六郡，三十六者，六之自乘数也。次当增置燕、齐六郡，为四十二郡，四十二者，六之七倍也。至三十三年（前214），南置南海、桂林、象郡，北置九原，其余六数不足者二，则又于内地分置陈、东海二郡，共为四十八郡，四十八者，六之八倍也。”此说见《观堂集林》卷十二。
在王国维先生考定的秦朝四十八郡中，广阳郡为其一。主要根据是北魏大地理学家郦道元在《水经注·
水》中所说：水（即今永定河）自南出山，叫作清泉河。……过广阳（郡）蓟县北。水又东经广阳县故城（汉县，在房山区东北隅南、北广阳城村处）北……谓之小广阳。水又东北经蓟县故城南，《魏氏土地记》说蓟城南七里有清泉河，而不经其北……昔周武王封尧后于蓟。……秦始皇二十三年（前224）灭燕，以为广阳郡。
至于秦广阳郡下领哪些县，不见史书具体记载。根据侯仁之先生主编的《北京历史地图集》（第一集）秦图中的内容判断，秦广阳郡当统领蓟县、良乡县、涿县等县。
公元前206年，秦亡汉兴。汉高祖封立诸侯王国——燕国。在西汉的两百多年间，先后被封为燕王的有臧荼、卢绾、刘健、吕通、刘泽、刘嘉、刘定国、刘旦等。不管谁被封为燕王，主政燕国，都是以蓟城为都。汉昭帝元凤元年（前80），燕王刘旦畏罪自杀后，燕国被废除，改置广阳郡。宣帝本始元年（前73），燕剌王刘旦之子刘建被封为广阳王，广阳郡又成为诸侯王国，即广阳国。广阳国的都城仍然是蓟城。之后，刘舜、刘璜、刘嘉等都曾为广阳王。到西汉后期，广阳国领蓟、广阳、阴乡、方城四县。其中，蓟县故城在今北京广安门内外一带，广阳县故城在今房山区东北隅南、北广阳城村，阴乡县故城在今北京城西南（当在今大兴区的芦城），方城县故城在今河北固安县西南的方城村。
汉武帝元封五年（前106），“初置刺史部十三州”，幽州为其一。这时的十三州刺史部只是监察区，并不是真正的行政区，所以，各州的刺史没有固定治所。
东汉始以蓟城为幽州刺史的固定治所。《后汉书·郡国志五》所谓“蓟，本燕国，（幽州）刺史治”就是有力的证明。东汉幽州，统领涿、广阳、代、上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东、玄菟、乐浪、辽东属国十一个郡、国。其中，广阳郡治蓟城，与幽州同治。广阳郡领蓟、广阳、昌平、军都、安次五县，与西汉广阳国相比有较大变化，主要是西汉广阳国所领的阴乡县废，方城县改属涿郡，原属上谷郡的昌平、军都二县划归广阳郡，原属渤海郡的安次县也划归广阳郡。此外，东汉涿郡所领的良乡县，上谷郡所领的居庸县，渔阳郡所领的渔阳、狐奴、潞县、平谷、安乐、傂奚、犷平等县，也都在今北京市境，是今房山、延庆、怀柔、密云、平谷、顺义、通州等区县的前身。
东汉后期，随着北方草原上的匈奴、鲜卑、乌桓（丸）等游牧民族的势力渐渐强大，幽州成为北方各民族争夺的战略要地。