石器时代在大同地区发现和发掘，位于阳高县古城镇许家窑村南发现人类化石。许家窑人是北京人的后裔，约在10万年前向西迁徙时，遇大同湖阻隔，在此定居。与此同时，在大同城西青磁窑、小站、左云贾家窑、广灵洗马庄等地先后发现多处旧石器遗址，计数千件打制石器制品。与此共生的哺乳动物化石。在武州川、御河、桑干河两岸，大同高山镇、云冈南梁、镇川西村、镇川南梁、孤山、尚龙门、刘安窑、云州区吉家庄、左云县旧高山、天镇县楼子疃、广灵县惠花、云州区佛堂寺、浑源李峪等地都发现典型的新石器时代细石器和陶片，其中有打制精巧的石锥、石簇、石锛、石斧、石杵等。陶器有灰陶、红陶和彩陶，纹饰、器形、口形多种，专家认定，远在10万年前，已有人类在此劳动繁衍生息。 大同云冈石窟
夏大同区域的部落称熏鬻，商时称鬼方，西周称北戎。[161]
春秋时期，大同地区为北狄所居。北狄系指以狩猎为生的游牧部落林胡、楼烦。据《战国策·释地》载：“今山西岢岚州以北，故楼烦胡地也；大同、朔州以北，故林胡地。”大同至内蒙古河套一带，春秋时为林胡活动之地。（唐）尧帝封羲和氏子为北岳长老，其二子和叔来宅。《山海经》中古大同为古平国[154] 。商汤封同姓于此地，代子立国。
战国时期，初为代国，后并入赵地。据《史记·赵世家》载，子晰告赵简子曰:“主君之子将克二国于北，皆子姓也。”及简子卒，毋血立，是为襄子，北登夏屋，使宰人操铜斗击杀代王，遂兴兵平代地。
公元前221年，秦始皇统一六国，废分封制，立郡县，全国设36郡，今大同境内为雁门郡、代郡之地。其时见于记载的城有：平城、代、善无、延陵、平舒、武周塞、新城、班氏、马邑等。秦始皇派大将蒙恬率30万大军北击匈奴，并征集民众筑长城，在今左云高山以东，云冈以西十里河谷“筑城武周塞内，以备胡。”