Trong 216 năm đóng đô ở Thăng Long, nhà Lý xây mới nhiều công trình đồ sộ: Năm 1070, nhà Lý lập Văn Miếu để thờ Chu Công, Khổng Tử và tứ phối (4 môn đệ xuất sắc của Khổng Tử) cùng thất thập nhị hiền (72 học trò giỏi của Khổng Tử); Năm 1076 xây Quốc Tử Giám, đây là trường đại học đầu tiên của quốc gia Đại Việt, trung tâm đào tạo nhân tài lớn nhất thời phong kiến Việt Nam; Dựng chùa Một Cột (Diên Hựu); Xây tháp Báo Thiên, đền Đồng Cổ, đền Hai Bà, đền Bạch Mã, đền Linh Lang, chuông Quy Điền.
Sang thời Trần, thăng Long không có gì thay đổi lớn. Trong 175 năm tồn tại của mình, nhà Trần chỉ tu bổ và mở mang thêm trên cơ sở những cái đã có từ mở rộng thêm ít nhiều. Đoạn thành phía Đông đồng thời là đê sông Cái (sông Nhị) có hai cửa thông ra hai bến của Kinh thành là giang khẩu (cửa sông Tô Lịch) và Đông Bộ Đầu (triều đông).
Năm 1243, nhà Trần đắp lại thành rồi đổi tên là Phượng thành (thành Long Phượng). Các cửa của Hoàng Thành và Phượng thành xây dựng kiên cố theo lối cửa Tam quan, gồm một cổng chính ở giữa và hai cổng phụ hai bên, trên có lầu gác. Cửa Nam hoàng thành là cửa Đại Hưng (khoảng chợ Cửa Nam ngày nay); Cửa Nam của Phượng Thành là cửa Dương Minh.
Điện Linh Quang được dời về Đông Bộ Đầu với tên mới là điện Phong Thủy (thường gọi là điện Trà). Nhà Trần xây thêm khu sứ quán (cạnh chùa Quán Sứ ngày nay) để đón tiếp sứ Nguyên. Năm 1253, Quốc Tử Giám được tu sửa lại và gọi là Viện Quốc học.