Sau khi dẹp tan giặc ngoại xâm, Lê Lợi lên ngôi vua, mở ra triều đại nhà Lê. Lê Thái Tổ quyết định vẫn đóng đô tại thành Thăng Long cũ, nhưng đổi tên Đông Quan thành Đông Kinh, hàm ý đó là kinh đô của một nhà nước độc lập, chứ không phải là phủ quan như ý muốn của nhà Minh. Theo các tác giả của sách Địa lý Hà Nội thì kinh thành Thăng Long vào thời Lê sơ có phạm vi chỉ bằng một phần của 4 quận Ba Đình, Hoàn Kiếm, Hai Bà Trưng và Đống Đa ngày nay, được bao bọc bởi tứ trấn nội kinh. Về mặt lãnh thổ, đối chiếu với bản đồ ngày nay, tứ trấn bao gồm toàn bộ các tỉnh Đồng bằng sông Hồng, khu vực Đông Triều – Uông Bí của tỉnh Quảng Ninh, tỉnh Bắc Giang và một phần huyện Hữu Lũng của Lạng Sơn, phần lớn tỉnh Phú Thọ và phần phía nam Tuyên Quang, một phần dất Lương Sơn, Kỳ Sơn, thành phố Hòa Bình của tỉnh Hòa Bình.

Từ những trang sử liệu cho thấy Hoàng thành thời nhà Lê được mở rộng gấp đôi so với Hoàng thành thời nhà Lý và thời nhà Trần. Năm 1428, Lê Thái Tổ cho xây dựng lại một loạt cung điện làm nơi thiết triều, nơi nhà vua làm việc và nơi ở của hoàng cung. Nổi bật trong số đó là điện Kính Thiên, Cần Chính, Vạn Thọ. Trong suốt triều đại Hậu Lê, kinh thành Thăng Long có những khi đổi tên gọi nhưng vẫn giữ được vị thế là một kinh đô của cả nước, cho đến khi Quang Trung Nguyễn Huệ đại phá quân Thanh trên đất Thăng Long giành độc lập, lập ra triều đại mới, Phú Xuân trở thành kinh đô. Tuy mất đi vị thế là một kinh đô, nhưng Thăng Long vẫn là trung tâm kinh tế, văn hóa của cả nước lúc bấy giờ.

Đến đời Nguyễn, năm 1831 vua Minh Mạng thực hiện cải cách tổ chức hành chính, chia cả nước thành 29 tỉnh, thành lập tỉnh Hà Nội. Tỉnh Hà Nội lúc bấy giờ giới hạn về phía đông là sông Hồng, phía tây là sông Đáy (tên địa danh Hà Nội phản ánh rõ vị trí địa lí này của tỉnh Hà Nội). Tỉnh Hà Nội gồm thành Thăng Long, phủ Hoài Đức của trấn Sơn Tây, và ba phủ Ứng Hoà, Thường Tín, Lý Nhân của trấn Sơn Nam. Phủ Hoài Đức gồm 3 huyện: Thọ Xương, Vĩnh Thuận, Từ Liêm. Phủ Thường Tín gồm 3 huyện: Thượng Phúc, Thanh Trì, Phú Xuyên. Phủ Ứng Hoà gồm 4 huyện: Sơn Minh, Hoài An, Chương Đức. Phủ Lý Nhân gồm 5 huyện: Nam Xang, Kim Bảng, Duy Tiên, Thanh Liêm, Bình Lục. 

Năm 1888, vua Đồng Khánh ra chỉ dụ cắt phần lớn đất huyện Thọ Xương và huyện Vĩnh Thuận cho Pháp làm nhượng địa. Ngày 18/7/1888, Tổng thống Pháp ra sắc lệnh thành lập thành phố Hà Nội. Phần đất nhượng địa của hai huyện Thọ Xương và Vĩnh Thuận được sáp nhập làm huyện Hàm Long. Phủ Hoài Đức thống hạt thêm huyện Đan Phượng của phủ Quốc Oai tỉnh Sơn Tây; dời tỉnh lỵ Hà Nội về làng Cầu Đơ (nay là phường Hà Cầu, quận Hà Đông).

Năm 1889, thành lập ngoại thành Hà Nội gồm một số xã của các huyện Vĩnh Thuận, Thọ Xương, Từ Liêm và Thanh Trì. Năm 1890 tách phủ Lý Nhân thành lập tỉnh Hà Nam. Theo như tài liệu Hán Nôm thì vào năm 1893, thực tế 4 phủ Hoài Đức, Thường Tín, Ứng Hòa và Mỹ Đức đã chuyển hẳn về tỉnh Hà Đông, vẫn gồm 11 huyện. Cụ thể là: Phủ Hoài Đức gồm huyện Từ Liêm, huyện Thọ Xương, huyện Vĩnh Thuận, huyện Đan Phượng; Phủ Thường Tín gồm huyện Thượng Phúc, huyện Thanh Trì và huyện Phú Xuyên; Phủ Ứng Hòa gồm huyện Sơn Lãng, huyện  Thanh Oai; Phủ Mỹ Đức gồm huyện Yên Đức và huyện Chương Mỹ.

 Năm 1902 thành lập tỉnh Cầu Đơ gồm các phủ Hoài Đức, Thường Tín, Ứng Hòa và Mỹ Đức. Năm 1904 đổi tên tỉnh Cầu Đơ thành tỉnh Hà Đông. Tỉnh Hà Đông thời thuộc Pháp gồm thị xã Hà Đông, các phủ Hoài Đức, Mỹ Đức, Ứng Hòa; các huyện Chương Mỹ, Đan Phượng, Thanh Trì, Thường Tín, Phú Xuyên, Thanh Oai. Thời kỳ này phủ không phải là đơn vị quản lý cấp huyện,

Để phù hợp cho mỗi giai kỳ lịch sử cũng như sự quản lý của chính quyền, địa giới không chỉ Thăng Long – Hà Nội mà nhiều địa phương trên cả nước có sự thay đổi. Cho đến năm 1954, Hà Nội có phần nội thành không mở rộng so với nội thành cuối thế kỷ XIX, khi vua Đồng Khánh ra chỉ dụ cắt thành Hà Nội làm nhượng địa cho Pháp (1888). Phần ngoại thành (Đại lý Hoàn Long) chỉ bao quanh phía bắc đến hết Hồ Tây, phía Tây dọc theo sông Tô Lịch, phía nam đến Hoàng Mai, Vĩnh Tuy (nay thuộc quận Hoàng Mai).

Trải qua nửa thiên niên kỷ, từ thời Lê sơ đến năm 1954 Thăng Long – Hà Nội có nhiều biến đổi về mặt địa giới với nhiều lần hợp tách. Từ góc nhìn địa lý chúng ta có thể hình dung được không gian của Thăng Long – Hà Nội qua mỗi thời kỳ lịch sử.

Mạnh Dũng