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史料记载，东京城的外城始建于后周显德三年（公元956年），周长50里165步，城墙高4丈，宽5丈9尺，有12个城门。内城（又称阙城）始建于唐建中二年（公元781年）周长20里155步，共有10个城门，2个水门。东京城的大内，即皇城，始建于宋建隆三年（公元962年），周长2.5公里，共有6门。城墙原为土筑，大中祥符五年（1012年）改为砖砌。政和三年（1113年）在大门内外北边开始兴建一组园林式的建筑群，计有7个大殿，15个阁楼，名延福宫。
自北宋灭亡后，历经动乱，东京城遭受严重破坏，特别是元世祖时为防止汉族人民反抗，将开封内外城全部折毁。还由于黄河的屡次决口泛滥，泥沙淤积，逐渐淹没地下。20世纪80年代经过7年的勘探和试掘，在今开封城地下8米初步探明北宋东京城东西略短，南北稍长，由内向外依次为皇城、内城、外城，其外城的轮廓、形制和范围，以及一些城门的位置，同床人的记载大致吻合。内城是当时最繁华之处，是衙署、寺观和商业集中的地方。其城墙残宽8至15米，南城墙位于现存明、清城南墙北约300米处，北墙位于龙亭北约500米处。皇城淤没于潘、杨湖一带，周长近2500米，与史载“大内据阙城之西北，周回五里”基本吻合。在皇城的前半部中轴线上，发现东西宽约80米、南北最大进60多米，残留6米左右的宋宫正殿——大庆殿的建筑台基，其位置、规模、深度及出土遗物，均与文献记载相符。皇宫遗址位于龙亭下面，它与内城朱雀门、外城南薰门呈一南北直线，即当时的御街，同今纵贯开封市区的中轴线——中山路基本相对应。
北宋东京城的繁荣，除居全国政治、经济和文化中心重要地位外，境内水道交通的方便也是主要的因素之一。当时时京畿一带水网纵横，舟楫云集，穿过东京城的河流有蔡河、汴河、五丈河、金水河，架在这些河道上的桥梁即有32座。特别是与黄河沟通的汴河，它“岁漕江、淮、湖、浙米数百万（石），及至东南之产，百物众宝，不可胜计。又下西山之薪炭，以输京师之粟，以振河北之争，内外仰给”。这些河流先后为黄河泥沙淤废。发掘后发现汴河河道遗址在今开封内后河街地下，御街通过汴河的州桥，桥面在地下4.3米处。
北宋东京城由外城、内城和皇城三重城垣构成了其层层套叠的国际大都会的宏大气势。
外城，又称新城、罗城，是东京军事防御的第一道屏障。外城是在后周时期周世宗柴荣所修筑的东京城的基础上增筑而来的，史载周长50里165步，“其高际天，坚壮雄伟”。由于历代的兵灾水患，昔日巍峨壮观的外城已遭到了极大的破坏，并全部淤埋于地下2～8米深。经过多年的考古勘探发掘，外城的形制、北宋东京城平面实测图轮廓、范围及主要城门的位置已基本清楚。经实测，整个外城遗址呈一南北稍长、东西略短的长方形，其东墙约位于文庄至铁牛村南北一线、南墙约位于开封制药厂至郭屯村东西一线、西墙约位于南郑门村至开封林场南北一线、北墙约位于大北岗村至南官庄村东西一线，四墙与今开封城基本平行，全长29120米。北宋时期，外城共有城门14座、水门7座，目前已探出的有南薰门（位于开封第16中学院内）、南郑门（位于开封西郊南郑门村北）、万胜门（位于开封西郊土城村附近）等10余座，多为直门两重或屈曲开门的瓮城门。尤其是西墙上的正门新郑门遗址，面积近两万平方米，其规模之大，在中国古代都城发展史上是极为罕见的。
内城，又称里城、旧城，是在唐汴州城的基础上修建而来的，而汴州城是在唐德宗建中二年（781年）由当时驻守在开封的汴宋节度使李勉所修筑的，时周长20里155步，有城门7座。内城的位置、形制、和部分门址也已基本探明。整个内城略呈正方形，其南墙位于今开封城南墙北约300米一线，北墙位于龙亭大殿北约500米的东西一线，东、西墙叠压在今开封城东、西墙的下面，四墙总长约11550米，与文献记载的唐汴州城的周长基本吻合，其面积较现存的开封明清城墙略小。北宋内城城门已增至10座，经考，其东、西墙上的部分城门就叠压在今开封城东、西墙上的城门如宋门、曹门、大梁门等的下面。
皇城，又称皇宫、宫城、大内和禁中等，是北宋时期皇帝的议事殿阁和寝宫所在地。经过考古勘探发掘，现已摸清了宋皇城的大致范围和形制，其大致位于今开封龙亭大殿前的潘阳湖一带。经实测，皇城呈东西略短、南北稍长的长方形，四墙总长2500米左右。皇城共辟有六门，其中宣德门是皇宫正门，高大雄壮，威严壮丽，因是高大门楼，故亦称宣德楼。20世纪80年代中期，开封文物考古队在今开封新街口附近探出了一处早期门址，后经90年代勘探验证，该门址就是宣德门遗址。
纵横交错、屈曲环绕的河流也使这座风流无尽的一代都城颇具江南水乡的特色。当时穿城而过的汴河、蔡河、金水河、五丈河四条河道在东京城附近构成了庞大的水利网，使京城的水利交通空前地发展起来，形成了“天下之枢”的有利地位，也极大地满足了东京城的物质供应。太祖赵匡胤曾风趣地将汴河、蔡河、五丈河比喻成为“京都三带”。后人称一代豪华的东京为“八方辐辏，万国咸通”的水陆大都会，在很大程度上是和其方便的水路运输以及上述四条河流所带来的丰富的水资源分不开的。
在四条河流中，最为著名的当数汴河，它当时东西横贯东京城，“首承大河，漕引江湖，利尽南海，半天下之财赋，并山泽之百货，悉由此路而进”，“故于诸水，莫此为重”。经过大量的考古工作，已探明了外城汴河西水门（西郊土城村附近）至古州桥（三毛时代购物广场前）之间约4000米的地段，河