秦孝公即位后，任用商鞅变法，国家日渐强大。但由于栎阳本身有不少缺点，阻碍了秦国的发展，于是秦孝公决定迁都咸阳。公元350年，秦国只花了一年时间，就在今咸阳县渭河北岸，完成了咸阳的规划建设和迁都安排。然而，这次修建的城池和宫殿，只是咸阳的初步规模，极其量只能说是后来咸阳城的奠基时期。此后一百四十多年，秦国历代君主就在秦孝公的基础上，不断发展咸阳。

考古发现，咸阳很可能没有城墙，这有利于咸阳的发展与扩充。此外，秦始皇更将东方六国的宫室，照原样仿建于咸阳，炫耀平定六国的武功。秦始皇重修咸阳宫时，不少地方是仿照天帝的紫宫而成，例如利用流经咸阳宫的渭水，象征天上银河，又修建横桥，象征天上的鹊桥等。秦始皇藉此表现自己的地位，跟天帝一样。咸阳宫的殿基遗址，现仍耸立在咸阳故城址内，当时咸阳宫的规模，由此可见一斑。咸阳宫以宏大的气势，成为后世宫殿建筑的典范。

秦始皇兴修贯通全国的道路网，以咸阳为道路网的中心，直通今日山东、辽东及江南一带，藉以加强咸阳对全国的统治效率。咸阳城内的咸阳宫，是历代秦君举行朝会和处理政务的地方。它兴建于公元前350年秦国迁都咸阳之时。秦惠文王和秦始皇都曾大规模增修咸阳宫。

秦朝末年，反秦将领项羽与刘邦约定：最先攻入咸阳灭秦的人，就能成为关中的王。结果，刘邦在公元前207年率先攻入咸阳，秦王子婴投降，秦朝灭亡。刘邦自知项羽势力强大，为免开罪项羽，刘邦只好退出咸阳，等待项羽到来，再将咸阳的控制权交给项羽。项羽是一个残暴鲁莽之人，他进入咸阳后，便杀了秦王子婴，并放火烧毁壮丽的咸阳城。由于咸阳的宫殿楼台，规模宏大而且为数众多，大火整整燃烧了三个多月也未熄灭。如今在秦咸阳遗址，包括渭南的阿房宫遗址，还可以看到当时火烧的遗迹。