隋唐两代，南京受到北方朝廷刻意贬抑，但地理上的优势使南京的经济、文化不断发展强大。李白、刘禹锡、杜牧、李商隐等诗人都在这里生活、游览过。唐亡后，南唐定都金陵，并扩建城邑。北方战火不断，而自杨吴始，70多年境内没有发生大的战争。秦淮河两岸集市云集，经济繁荣伴随着文化的发达，诗词、书画开一代之风。宋代的南京是中国南方地区的政治、经济、文化中心，江宁府是北宋时期中国南方唯一的府级建制，是江南和东南地区等级最高的行政机关。
北宋政治家王安石曾3次以宰相之位担任江宁知府，并定居、终老于此。北宋末年，靖康之难引发人口第三次大南迁，南京再次成为经济中心，也是当时世界大都市之一。1129年改称建康府，定为行都。1138年改建康为留都，仍有帝王行宫在此，成为南宋重要的军事、政治和经济中心，时人称曰“国家之根本在东南，东南之根本在建康”、“非据建康无以镇东南”。
南宋名将岳飞曾在南京牛首山一带大败金兵，并有抗金故垒遗存。元代的南京是监临东南诸省、统领东南各道的江南行御史台驻地，掌管江浙、江西、湖广三行省十道的监察事务。作为中国纺织业的中心，城内有专业工匠六千余户，南京云锦为皇家御用品。1356年朱元璋攻占南京，改称应天府。1368年明朝建立，以南京为京师，南京再次成为中国的政治、经济、文化中心。
明初京师人口逾70万，是当时中国规模最大、人口最多的城市，也是全世界最大的城市，历时27年建造的南京明城墙是世界第一大城垣，根据天象和礼制营建的南京故宫作为中世纪世界规模最大的宫殿建筑群，建筑形制布局成为后来明中都、北京城和明代王府的设计蓝本。1402年，朱棣发动靖难之役夺建文帝帝位，在南京称帝。1405年，南京作为郑和七下西洋的决策地、造船基地和始发港，郑和从南京龙江关（今下关）启航，开始第一次远航。
1421年，朱棣迁都北京，将南京改为留都，设南京六部等机构，行双京制，应天府（南京）和顺天府（北京）合称二京府。明代中叶，南京城人口达120万，仍是世界上最大的城市[30]。万历年间，西方传教士利玛窦游历中国后，在《利玛窦评传》中写到：“目睹南京这座大城，未免眼花缭乱…明代的南京城极其雄伟壮观，堪与十六世纪的欧洲任何最大的首都相比拟。
本朝开国皇帝洪武把它造成奇迹，东方所能见到的一切都无法望其项背。”终明一朝，南京一直是中国的经济、文化中心，南方的军事、政治中心。1644年朱由检殉国后，朱由崧被拥立于南京，建立南明。1645年，清军攻陷南京后遂即废除国都地位，改应天府为江宁府，定为江南省省府，成为统辖江苏（含上海）、安徽和江西三省军民政务的两江总督都署驻地。
