曹魏以后，西晋统一的时间很短，北方地区进入分裂状态。五胡十六国时期代表北方在西晋灭亡到北魏统一华北期间的时期，当时南方则为东晋时期。该时期自304年刘渊及李雄分别建立汉赵（后称前赵）及成汉起，至439年北魏拓跋焘（太武帝）灭北凉为止。范围大致上涵盖华北、蜀地、辽东，最远可达漠北、江淮及西域。在入主中原的众多民族中，以匈奴、羯、鲜卑、羌及氐为主，统称五胡。他们在这个范围内相继建立许多国家，北魏史学家崔浩取其中十六个国家来代表这段时期，称这时期为“五胡十六国”。十六国时期出现的政权都很短暂，他们像走马灯似的一个接一个地频繁轮换。
赵石虎营建邺都
西晋时，邺为魏郡治所。西晋末期统治腐朽黑暗，特别是皇室的内部争斗常常勾引外族为援，促使少数民族的军事势力崛起。永兴元年（304年），匈奴贵族刘渊起兵反晋，得到北方各民族的响应，活动在河北一带，曾攻占邺城的羯人石勒投奔刘渊。永嘉五年（311年），石勒杀晋军十万余人，攻入洛阳俘杀晋怀帝。建兴四年（316年），攻破长安，俘晋愍帝，西晋自此灭亡。
石勒于319年在襄国（河北邢台）称赵王，史称后赵。330年称帝，开始修葺营建邺都，并以洛阳为南都。石勒死后，其养子（亦说弟）石虎夺得政权，335年称帝，迁都于邺，以襄国为陪都。第二年，石虎大兴土木，继续营建邺都。
石虎是个暴虐的统治者，喜欢追求奢华，在修建邺都城墙时，城墙的外表全部改用砖砌，这是我国都城中最早有记载的砖造城墙，以前的城墙都是用土夯筑而成的。城上每百步建楼一座，城隅的角楼是曹魏时原有的。南门西头的凤阳门，因为北对新建的九华宫，特别壮丽。门楼六层，朱柱白壁，高约六十米，屋脊上安放大铜凤一对，制作工艺精巧，仅头就有一丈六尺高，为了防止被大风刮倒，还用铁索扎牢。民谣中说：上有金凤相飞唤，“凤阳门南天一半，欲去不去著锁绊。”又在东城上建东明观，北城上造齐斗楼，改筑增高西城原有的三台，四处建筑巍然高耸，超出群楼之上。
曹魏时期宫城中的文昌殿在战火中已经毁掉，石虎在故址上修建太武殿，台基高约三丈，东西七十五步，南北六十五步，以产自谷城山（今山东平阴）的文石砌成，屋用漆瓦、铜柱、珠帘。铜雀台的东北是九华宫，宫中有显阳殿，宫北有逍遥楼、披云楼等等，史传楼台四十余所。全城宫、殿、门、台上面都建筑观、榭，楼宇重叠，错落有致，屋檐翘起，如入云端，外表装饰，鲜艳华丽。《水经注》中说：邺城全盛时，六七十里外，远远望去，好像神仙居住的地方。由此可见十分奢华。
石虎残暴荒淫，在由襄国迁都邺城时，宫有一夫人，“每一舍辄立一宫，侍婢数十人，季龙所起内外台观行宫四十四所”。他往来两地之间，寻欢作乐。营建邺城征发民工数十万，饥饿病累而死者，数以万计。他还征发十二至二十岁的民女三万人，置于后宫，其中有夫之妇九千多人，杀人之夫或妇女自杀者极多。
石虎死后，诸子为夺取皇权而骨肉相残。350年，石虎养孙汉人冉闵夺取政权，自立为帝，改国号魏，仍然都邺城，史称冉魏。
两年之后，鲜卑族慕容部乘机举兵南下，352年，前燕国君慕容雋攻破邺城，冉闵被俘，冉魏灭亡。
前燕贵族慕容氏曾以龙城（今辽宁朝阳）为国都，灭冉魏后迁都于蓟（今天津蓟县），五年后再迁都邺城。迁都后的十几年中，政治比较稳定，社会经济也有所发展。后来，统治集团日益腐朽，贵族内部也发生了争斗，前燕政权迅速衰落。370年，前秦出兵攻破邺城，前燕灭亡。
南北朝时期的邺城
十六国时期，前秦曾经一度统一过北方，但是淝水之战惨遭失败后，北方又重新陷入大分裂的局面。439年，鲜卑族拓跋部建立的北魏政权重新统一北方，与江南取代东晋的刘宋王朝形成南北对峙的局面。以后，北魏分裂，形成东魏、西魏，此后有分别为北齐、北周所取代；而在南方则经历了宋、齐、梁、陈四个政权的更替，这就是历史上的南北朝时代。
北魏前期，就已经在邺设置行台，以管理黄河中下游地区。401年，以邺行台六郡（魏郡、阳平、广平、汲郡、顿丘、清河）置相州，取“河亶甲居相”为州名，是为相州之始。北魏后期，统治集团走向没落腐朽，导致各族人民起义反抗。在镇压人民起义的过程中，州郡豪族纷纷起兵，形成地方武装势力割据的局面。其中最强大的是东方的高欢和西方的宇文泰。
高欢原来是渤海蓨县（今河北景县）的汉族大姓，他团结河北的士家大族，控制了冀州，以邺为根据地不断发展壮大，并拥立北魏宗室的安定王元朗为国君，自任丞相。高欢的崛起使控制北魏政权的尔朱氏深为不安。北魏孝武帝永熙元年（532年），尔朱氏拥军二十万，屯军洹河，讨伐高欢。高欢亲率步骑，倚韩陵山布阵迎击，结果以少胜多。随后攻入洛阳，肃清了尔朱氏的势力，杀节闵帝，立元朗为帝。不久又杀元朗，立孝武帝元修。高欢想迁都于邺，孝武帝不同意，元修不甘受制于高欢而逃往长安，投靠关中的宇文泰。高欢于是又立效静帝元善见，迁都邺城。从此，北魏分裂为东、西魏对峙。
高欢死后，东魏政权相继为高欢的儿子高澄、高洋执掌。武定八年（550年），高洋废孝静帝自立，国号齐，史称北齐，仍然都邺城。
东魏和北齐的邺都是南邺城（新城），营建于东魏迁都后的第二年。高欢之所以要营建新城，是由于旧城在前秦末年的战乱中遭到严重的损毁，此外，高欢在迁都时，还胁迫洛阳四十万户同住，残破的邺城要接纳如此众多的人口，自然也就显得狭窄拥挤了。
新城在营建之前，高欢命李兴业先行规划设计。李参考洛阳和邺城，制定了一个规划严整、布局合理的方案。东魏天平二年（535年）在旧城之南营建新城。元象二年（539年）又将洛阳的宫殿拆毁，把木材运到邺城继续营建宫殿并筑城。邺南城紧邻邺北城，东西六里，南北八里六十步，城角不是规则的直角而略呈圆形，城内的中轴线也略高，整体形状如龟。城垣迂曲，墙外有护壕。南城有多门，南垣三门，东边的是启夏门，中间的是朱明门，西边的是厚载门。朱明门是邺城的正门，所以修建了高大的城门楼。门楼“随城上下，东西二十四门，朱柱白壁，碧窗朱户，仰宇飞檐，五色晃耀，独雄于诸门”。门：由南往北分别为仁寿门、中阳门、上春门和昭德门。西垣四门，由南往北分别是上秋门、西华门、乾门和纳义门。北城垣为邺北城南垣。
宫城设在城北部中央。官殿区前为止车门，门内为宫殿区的正门端门，端门之北为阊阖门，门内为太极殿。阊阖门与端门之间有东西大街，东出为云龙门，西出为神虎门，朝官至此门，则整肃衣冠而入。太极殿为朝会正殿，举行国家大典的场所。殿宇雄伟高大，周围有一百二十根柱，基高九尺，用大理石砌成，门窗以金银为饰，椽栿斗栱均以沉香木为之。椽端复饰以金银兽，并用胡桃油涂瓦，光辉夺目。太极殿后三十步为朱华门，门内为昭阳殿，是帝王召见后妃及宴集之所。昭阳殿有东西二阁，东阁有含光殿，西阁有凉风殿。其间有长廊相连，香草珍木，布满庭院。昭阳殿后有永巷，巷北为五楼门，门内为后宫掖庭。后宫用金银玉器装饰，悬挂五色珠帘，用丁香涂抹墙壁，用胡桃油涂抹砖瓦，宫檐四面垂挂金铃。奢丽豪华，宛若仙宫。
南城的南部是居民区，南北三条大街正对三座南门和北门，东西正对四座东门和西门的也有四条大街，把居民已分为十六个区域。每个区域又由纵横的街道分为若干个里坊。据明崔铣的《彰德府志》“自兴和年间迁都邺记载：以后，四方官民集中，里闾坊巷充满了邺都南部，总计有四百余处。”
在最东、最西的两条南北大街和中阳门至西华门的东大街交汇处，有东西两市。两市中店铺林立，南北货物一应齐全。还有不少手工业作坊，前店后坊，制作出来的产品直接销售。
在东魏、北齐的邺都城外围，还有多处离宫别馆、池林苑囿。城西漳水之南有豫游园，周围十二里，为皇家跑马射猎之处，建筑规模巨大。
魏晋南北朝时期，由于战乱频繁和儒学独尊的地位被打破，宣扬灵魂不灭、生死轮回、因果报应之说的佛教迅速发展起来。邺都佛教兴盛，寺院和僧人众多。据资料论载，有“邺都之地”寺四千所，僧尼近八万。全境寺院四万所，僧尼二百万。可惜这些寺院和邺城一样也都不复存在，但在周边，特别是西部山区和半山区，还保留有当年的佛寺遗址。安阳西南东魏的宝山寺、安阳西北清凉山中的北齐合水寺、安阳西部龙山的北齐云门寺、小南海北齐石窟、磁县西部的响堂寺、林州洪峪山中的北齐洪峪寺等，都是当时遗留下来的佛教活动场所。
邺北城在东魏北齐时仍被利用不废。东魏高欢为丞相时即居于文昌殿旧基东南的中兴寺。齐受魏禅，初称北第，后称北宫，有时也在此理政。宫内有柏堂、东斋、《邺中记》“自魏太子宫等新建筑。三台在东魏北齐时更为壮观，云：至后赵前燕及东魏北齐，三台每加修整，甚于魏武初造之时。”北齐天保七年（556年）发动工匠三十余万护修三台宫殿，“因其旧基而高博之，大起宫室”。至九年修成，改铜雀为金凤、金虎为圣应、冰井为崇光。
北周建德六年（577年）周军攻下邺城，北齐亡，北方黄河流域重新统一。
于是北周改司州为相州，清都尹为魏郡，将临漳县自邺城迁至今县西南九公里（明洪武移今治），移成安县于今治。同时下诏将三台拆毁，瓦木等建筑材料悉赐于民，山泽园林之地，各还其主。但邺城宫殿区尚未破坏，邺仍然是相州、魏郡的治所，并在相州置宫及六府官。到了580年相州总管尉迟迥起兵讨伐杨坚失败，杨坚攻下邺城，下令焚毁邺城宫室及民邑，迁民人及相州、魏郡、邺县于邺城南四十里的安阳。千年名都，毁于一旦，完全成为一片废墟。从永熙三年（534年）东魏开始建都邺城，至建德六年（577年）北齐灭亡，东魏、北齐都邺共四十三年。
隋唐以后，殷邺地区发生了很大的变化。邺都废墟一蹶不振，而相州安阳则渐渐崛起。隋开皇十年（590年），改邺县为安阳县，相州魏郡治安阳。唐贞观十年（636年），置相州都督府，安阳的地位显得日趋重要。
唐宋以后，随着经济中心的南移，在河北平原的南部兴起了一个新的城市，它就是位于漳河下游南岸的唐魏州、宋大名府。此后，邺城及安阳的政治经济地位日渐下降。至明清时期，安阳虽然还是河南北部的政治、经济和文化中心，但是在全国已经只是一个中等城市了。