Năm 1010, tại kinh đô Hoa Lư, vua Lý Thái Tổ ban chiếu dời đô để thiên đô về thành Đại La và đổi tên kinh thành này là Thăng Long. Lý Thái Tổ cùng các quần thần đã gấp rút xây dựng những công trình cơ bản của Kinh thành Thăng Long. Đến đầu năm 1011 thì hoàn thành. Khi mới xây dựng, Kinh thành Thăng Long được xây dựng theo mô hình Tam trùng thành quách gồm: vòng ngoài cùng gọi là La thành hay kinh thành, vòng thành thứ hai là Hoàng Thành, giữa hai lớp thành này là nơi sinh sống của cư dân, lớp thành còn lại là Tử cấm thành hay Cấm thành hay Long Phượng thành là nơi ở của nhà vua. Các thời sau đều theo cách ấy mà phân chia.

Rồng thời Lý trên các phù điêu bằng đất nung, khai quật tại khu vực số 18 Hoàng Diệu năm 2003

Mục Chiếu dời đô của sách Đại Việt sử ký toàn thư viết: … Thành Đại La, đô cũ của Cao Vương (tức Cao Biền), ở giữa khu vực trời đất, được thế rồng cuộn hổ ngồi, chính giữa Nam Bắc Đông Tây, tiện nghi núi sông sau trước. Vùng này mặt đất rộng mà bằng phẳng, thế đất cao mà sáng sủa, dân cư không khổ thấp trũng tối tăm, muôn vật hết sức tươi tốt phồn thịnh. Xem khắp đất Việt đó là nơi thắng địa, thực là chỗ tụ hội quan yếu của bốn phương.

Ngay từ năm 1010, khi mới định đô Thăng Long, Lý Thái Tổ đã khởi công xây dựng Hoàng Thành và hàng loạt cung điện ở trong Hoàng Thành. Hoàng thành đắp bằng đất, phía ngoài có hào, mở 4 cửa: Tường Phù ở phía đông, Quảng Phúc ở phía tây, Đại Hưng ở phía nam, Diệu Đức ở phía bắc. Tuy còn những ý kiến khác nhau, nhưng căn cứ vào sử liệu và di tích còn lại, có thể xác định cửa Tường Phù mở ra phía Chợ Đông và khu phố buôn bán tấp nập của phường Giang Khẩu và đền Bạch Mã. Cửa Quảng Phúc mở ra phía chùa Một Cột và chợ Tây Nhai (chợ Ngọc Hà). Cửa Đại Hưng ở khoảng gần Cửa Nam hiện nay. Cửa Diệu Đức nhìn ra trước sông Tô Lịch, khoảng đường Phan Đình Phùng hiện nay. Những cung điện chính còn thấy trong sử sách như: điện Càn Nguyên là nơi thiết triều đặt trên núi Nùng tức núi Long Đỗ, hai bên tả hữu là điện Tập Hiền và điện Giảng Võ. Bên trái mở cửa Phi Long thông với cung Nghinh Xuân, bên phải mở cửa Đan Phượng thông với cửa Uy Viễn, chính Bắc dựng điện Cao Minh. Thềm các quan chầu vua gọi là Long Trì có hành lang chạy xung quanh. Đằng sau điện Càn Nguyên là điện Long An và điện Long Thụy làm nơi nhà vua nghỉ ngơi. Bên trái xây điện Nhật Quang, bên phải xây điện Nguyệt Minh, đằng sau là cung Thúy Hoa là nơi ở của các phi tần.

Sơ đồ phỏng dựng (mang tính tham khảo) khu Hoàng thành Thăng Long thời Lý cùng chú giải một số tên cung điện chính.

Năm 1029, Lý Thái Tông xây dựng lại toàn bộ khu cấm thành sau khi nơi đây bị tàn phá bởi vụ Loạn tam vương. Trên nền cũ điện Càn Nguyên, Lý Thái Tông cho dựng điện Thiên An làm nơi thiết triều. Hai bên tả hữu là điện Tuyên Đức và điện Thiên Phúc. Phía trước điện Thiên An là sân Rồng có đặt một quả chuông lớn. Hai bên tả hữu sân rồng có đặt gác chuông. Phía đông, tây sân Rồng là điện Văn Minh và điện Quảng Vũ, phía trước sân rồng là điện Phụng Tiên, trên Điện có lầu Chính Dương là nơi báo canh báo khắc. Sau điện Thiên An là điện Thiên Khánh hình Bát Giác. Sau điện Thiên Khánh là điện Trường Xuân. Trên điện Trường Xuân có gác Đồ Long. Từ điện Thiên Khánh nối với điện Thiên An ở phía sau đều có bắc cầu gọi là cầu Phượng Hoàng.

Năm 1203, vua Lý Cao Tông bắt đầu một đợt xây dựng mới. Cung điện mới được xây ở phía tây tẩm điện. Bên trái dựng điện Dương Minh, bên phải dựng điện Chính Nghi, ở trên xây điện Kính Thiên, thềm gọi là Lệ Giao. ở giữa mở cửa Vĩnh Nghiêm, bên phải mở cửa Việt Thành, thềm gọi là Ngân Hồng. Đằng sau xây điện Thắng Thọ. Bên trái xây gác Nhật Kim, bên phải xây gác Nguyệt Bảo, xung quanh dựng hành lang thềm gọi là Kim Tinh. Bên trái gác Nguyệt Bảo là tòa Lương Thạch, phía tây xây gác Dục Đường (nhà tắm). Phía sau xây gác Phú Quốc, thềm gọi là Phượng Tiêu. Phía sau dựng cửa Thấu Viên, ao Dưỡng Ngư trên ao xây đình Ngoạn Y. Ba mặt đình có trồng hoa thơm cỏ lạ nước thông với sông. [4] Ngoài ra các cung điện khác cũng được xây dựng liên tục, không đòi nào không có không mấy năm không có. Mỗi cung điện thường đều có tường bao xung quanh và làm cửa thông với cung điện khác. Ngoài cung điện, các vị vua nhà Lý còn cho xây dựng nhiều công trình văn hóa tín ngưỡng khác để phục vụ cho vua và hoàng tộc như: đền Quán Thánh, chùa Chân Giáo (nơi vua Lý Huệ Tông đã tu hành), đài Chúng Tiên dựng năm 1161 tầng trên lợp ngói bạc, hồ ao làm cảnh cũng được lập khá nhiều trong Hoàng thành. Năm 1049, đào hồ Kim Minh Vạn Tuế, đắp núi đá cao ba ngọn trên mặt hồ và xây cầu Vũ Phượng đi vào, 10 năm sau lại xây thêm điện Hồ Thiên bát giác ở đấy. Năm 1051 đào hồ Thụy Thanh, hồ Ứng Minh. Năm 1098, đào hồ Phượng Liên và xây tại đây điện Sùng Uyên, bên trái lập điện Huy Dương, đình Lai Phượng bên phải dựng điện Ánh Thiềm, đình Át Vân, phía trước xây lầu Trường Minh, phía sau bắc cầu Ngoạn Hoa.

Nhiều vườn ngự cũng được dựng nên trong Hoàng thành. Mùa thu năm 1048, mở luôn 3 vườn ngự: vườn Quỳnh Lâm, vườn Thắng Cảnh và vườn Xuân Quang. Năm 1065, mở thêm vườn Thượng Lâm. Giữa thế kỷ XIV lại dựng một vườn ngự nữa nối liền với hậu cung. Theo sử cũ còn ghi giữa vườn có đào một cái hồ lớn: "Trong hồ chất đá làm núi, trên bờ hồ trồng thông, trúc và nhiều thứ kỳ hoa diệu thảo khác thêm vào đấy là chim quý thú lạ. Bốn mặt khai cho sông nước thông vào, gọi hồ ấy là Lạc Thanh Trì. Về phía tây hồ trồng hai cây quế, dựng một tòa điện gọi là điện Lạc Thanh. Lại đào các hồ nhỏ khác, bắt người ở Hải Đông chở nước mặn chứa vào hồ ấy, để nuôi các loài hải sản như đồi mồi cá biển và các loại ba ba. Rồi bắt người Hóa Châu bắt cá sấu thả vào đấy. Lại có hồ Thanh Ngư để nuôi cá Thanh Phụ (cá diếc đuôi đỏ vảy biếc)... Lại làm dãy hành lang ở tây điện thẳng đến cửa Hoàng Phúc, dựng dãy Trường Lang từ gác Nguyên Huyền đến cửa Đại Triều phía tây.