秦灭六国后，派赵佗与任嚣等领兵南下进攻百越，将疆域向南拓展的同时也在新占领区设置郡县。秦代时，桂林属桂林郡。

秦朝末年，中原地区陷入战乱与分裂，赵佗趁机割据岭南地区，建立南越国。西汉王朝建立后，南越国一度臣服于汉王朝，成为西汉的藩属国，汉武帝时期，南越国为汉所灭。在行政区划上，西汉王朝继承了秦代的郡县制度，推行郡国并行的制度。西汉中后期，在郡县以上设置州牧（刺史部），后逐渐由监察机关演变为地方军政机关，州郡县成为主要的区划结构。桂林属益州刺史部零陵郡，地名始安。

东汉时期，行政区划基本上与西汉时期相同，桂林仍属荆州刺史部，零陵郡。

东汉后期，地方豪强与贵族的势力不断增强，黄巾起义后，东汉王朝基本上土崩瓦解。经过长期的军阀混战，进入了相对安定的三国时期，桂林先属刘备势力范围，后并入孙吴政权，属荆州始安郡，南部都尉。

三国后期，蜀汉与孙吴政权日益腐败，司马氏家族则控制了曹魏政权，在曹魏灭亡蜀汉后，西晋取代了曹魏政权。再次完成南北统一。西晋将交州刺史部分为广州与交州两部分，桂林属广州刺史部始安郡。

西晋完成统一后，朝政迅速走向腐败，贵族炫富攀比，诸王分裂中央，少数民族大量内迁。“太康盛世”很快就走向了“永嘉之乱”，内迁的少数民族在黄河流域纷纷建立本民族的政权，司马氏南迁至长江流域。东晋十六国到南北朝时期，政权更替频繁，行政区划也有一定的调整。南齐时，桂林属湘州，始安郡。

南北朝后期，南朝由于各种原因，在北朝分裂之后未能把握机遇，丧失了统一的大好机会。相反，经历了侯景之乱后，南朝元气大伤，在南北对抗中彻底陷入被动局面。最终，北朝的北周政权在竞争中笑到了最后，北周政权被隋朝取代后，再次开创了大一统的局面。在行政区划上，隋代统治者重新实行郡县制，试图通过废除州牧来削弱地方权力，避免重蹈军阀混战的局面。隋代时，桂林属始安郡。

隋朝重新开创了大一统的局面，也在很多方面将封建制度进行完善与升级，然而隋文帝开创的盛世局面没能维持太久，隋炀帝的暴政最终导致隋朝成为中国历史上有一个短命的王朝。唐王朝实现统一后，在行政区划上沿袭了隋代的郡县制度，但将郡改称州，同时在州县以上设置道行政区。唐代中期以后，因为战争需要，唐政府又在部分地区增设节度使与都督府，掌握地方军政大权，地方势力迅速抬头。桂林属唐岭南道，桂州。

北宋建立后，统治者有鉴于安史之乱以来的军阀混战教训，采取了一系列的措施，试图强化中央的权力，削弱地方的实力。在中央，宋太祖通过“杯酒释兵权”解除了开国将领的兵权。在地方则大力削弱军事与财政权力。桂林属广南西路，桂州。

北宋过分的强化中央权力，无形中也造成了地方及边疆地区军事力量的大大削弱。北宋被金朝灭亡后，残存的宋朝贵族南渡长江，在杭州建立了南宋政权。南宋在和金朝多次军事对抗后，最终向金朝称臣，以秦岭淮河一界与金朝对峙。桂林在南宋时属广纳西路，静江府。

元朝完成统一后，推行行中书省制度，并在地方行政上继承了两宋的传统。桂林属湖广行省静江路

明代前期，在继承行省制度的大背景下，对行省边界进行了一定程度的调整，对行省的模式也做了进一步的调整，基本上奠定了后世行省边界的基础。桂林属广西布政使司，桂林府。自此，桂林成为广西的省会所在地。

清代初期，清政府在西南地区推行“改土归流”，加强对西南地区的控制力度，桂林属广西省桂林府，仍然是广西省的省会。