長安由城內和城外郭區組成，其中城內主要以長樂、未央等宮殿為主，城外郭區則位於渭河南岸和漕渠以西。另外，在咸陽原和霸水一帶的漢帝皇陵則設置有陵邑，成為長安的組成部分。
長安城內
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城墻與城門
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漢長安城因以秦興樂宮為始進行營建，因而遵循秦制為坐西朝東，平面受周邊地理環境的影響而成不規則的方型。南墻曲折形如南斗、北墻曲折形如北斗，因而又被稱為“斗城”。長安城墻於漢惠帝元年春正月起筑，採用細黃土夯築，高12米，基座寬12至16米，墻外有寬8米，深3米的城壕。根據考古實測，東牆長6,000公尺，西牆長4,900公尺，南牆長7,600公尺，北牆長7,200公尺，合計25,700公尺，城內面積約36平方公里。
長安城坐西朝東，四面各开三座城门，其中東側為宣平門、清明門和霸城門，而霸城門與宣平門分別設有門闕，為長安城的正門。長安城北側為杜門、廚城門和橫門，杜門又稱利城門，後來改稱洛城門。南部自東向西分別為覆盎門、安門和西安門，其中覆盎門又稱下杜門。西部城墻由北往南分別為直城門、章城門和雍門。根據考古發掘，每座城門各有三個門道，門道寬約8米，為當是四個車軌間的距離，城門內有大街與城門相通。
街道
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城内的大街都与城门相通。主要街道有8条，分别为华阳街、香室街、章台街、夕阴街、尚冠街、太常街、藁街和前街[12]。其中最长的安门大街（章台街）长5,500米，其余多在3,000米左右。道路一般宽约45米，路面以水沟间隔分成三股，中间的御道宽20米，专供皇帝通行，两侧的边道各宽12米，供官吏和平民行走。为美化环境，路旁还栽植了槐、榆、松、柏等各种树木，茂密如荫。
汉长安城内的宫殿、贵族宅第、官署和宗庙等建筑约占全城面积的三分之二。宫殿集中在城市的中部和南部，有长乐宫、未央宫、桂宫、北宫和明光宫等。贵族宅第分布在未央宫的北阙一带，称作“北阙甲第”。居民区分布在城北，由纵横交错的街道划分为160个“闾里”。著名的“长安九市”则在城市的西北角上，由横门大街（华阳街）相隔，分成东市三市和西市六市。
据考证，汉长安城的布局和形制与《周礼·考工记》：“匠人营国，方九里，旁三门。国中九经九纬，经涂九轨。左祖右社，面朝后市，市朝一夫。”基本相符。它一改战国时期大小城相套的格局，把居民区、工商业区和宫殿区集中在一座城市里，后世的都城都沿用了这一体系。
宮殿衙署
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清朝毕沅所绘的汉长乐未央宫图，载于《关中胜迹图志》卷四
未央宫前殿遗址
宫殿
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主条目：长乐宫和未央宫
汉长安城的宫殿主要分佈於長安城內，包括長樂宮、未央宮、明光宮、北宮和桂宮。其中長樂宮為最早興建的宮殿，秦代即已完成，稱興樂宮。漢初一度為皇帝居所，惠帝後成為太后居所。宮城坐西朝東，東西各設門闕，周長一萬餘米，面積達六萬平方公尺。宮內主要殿宇為前殿、長秋殿等。宮城另有復道連接未央宮。
未央宮始建於漢高帝時期，自惠帝起為皇帝朝會居所，是古代最著名的宮殿之一。隋朝將長安廢棄后，但仍將未央宮作為禁苑進行修葺。宮城面積約5平方公里，四周各開宮門一座，但東門及北門外各立門闕一座。主要殿宇包括前殿、宣室、承明殿等。未央宮亦有復道與建章、長樂等宮相連接。
明光宮、桂宮和北宮是長安城內興建的主要作為妃嬪居住的宮殿。皇太子居所在北宮內。桂宮則在秦代甘泉宮的遺址上重建。
衙署
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武库
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主条目：武库
武库在长乐和未央二宫之间，平面呈长方形，东西长880米，南北宽322米，四周筑墙。墙内有七个仓库，每库分为四个库房。房中原有排列整齐的兵器木架，现已朽坏。武库建于汉高祖四年（前199年），系丞相萧何营建，是当时全国的武器制造和贮藏中心，具有极重要的地位，新莽末年被焚毁。考古发掘出土除铜弩机以外的各种兵器。
长安九市
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分为东市三市、西市六市。政府在市場內建「市樓」，作為管理市場的辦公室。东市是商贾云集之地，西市则密布着各种手工业作坊。
居民区
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早期长安初建时，尚有大部分城内面积为民居，分为160闾里，只有少数名字存留到现在。武帝扩建大量宫室后长安城墙以内只有不到三分之一区域作为民居。长期以后，居民区和市场溢出城墙，在城外发展。[13]
城外郭區
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上林苑
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主条目：上林苑
上林苑是一组巨大的宫廷御苑群，位于长安城西，秦代时即已有，汉武帝建元三年（前138年）大事扩充和改建后，有离宫别馆数十处，周长达100多公里。据《汉旧仪》和司马相如《上林赋》的记载，苑内豢养百兽，“长安八水”也尽在其中。上林苑最主要的建筑是建章宫。建章宮，始建於漢武帝時期。未央宮內的柏梁臺被雷殛焚毀后，出於壓勝的目的，漢武帝於城外興建此宮。落成后成為漢武帝的主要居所。宮城周長10公里，同樣坐西朝東，並在東門和北門外建有門闕。新朝時，王莽為興建自己祖先的宗廟，拆毀建章宮。此外还有训练水军的昆明池，种植蔬菜的温室，铸钱场所“上林三官”等各种机构。东汉时，上林苑被废弃。
昆明池：汉武帝为训练水军，在上林苑内开凿了昆明池。目前其遗迹是一片洼地，面积10余平方公里。池中有一高地是当时的岛屿，应为豫章馆之所在。东西两岸有牵牛、织女石像，高3米多，至今保存完好。还曾发现文献记载的“石鲸”残骸，长4米余。池畔还有多处建筑物的基址，可能是宣曲宫、白杨宫、细柳宫等的遗址。
上林三官：汉长安城周围尤其是北墙附近分布着不少制陶、铸钱和冶炼的作坊。其中规模最大的是1994年发现的上林苑兆伦铸钱遗址，也就是西汉时的国家造币中心“上林三官”。其遗址位于今陕西省户县大王镇南兆伦村，南北长约1,500米，东西宽约600米，面积达90万平方米。遗址的南部多瓦砾，其北有坩埚残块、铜渣、灰堆等堆积。遗址中北部有许多铸钱残范坑和废弃钱范堆积，其中还出土有陶拍、定位销、青铜工具等文物。据文献记载，“五铢钱”即诞生于此。
太学
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主条目：太学