中原后，北逐匈奴，在原来的赵地设置了云中，代，雁门三郡。并通过“三郡”修了直通今乌兰察布的丰镇，集宁，卓资，和林格尔，武川等地的驰道。公元前214年，秦把赵燕之长城加以连接和修缮，称为秦长城。它从河北省进入今乌兰察布境内的商都县，又经过兴和，察右后旗，察右中旗，卓资，武川等地沿大青山西去。当时该地域属云中郡，雁门郡辖。秦灭后，北方的匈奴兴起，乘中原楚汉相争之机，大举南进，今乌兰察布的大部分地区为其占有。
公元前206年，汉朝统一中原后，匈奴与汉朝形成了对立的局面。匈奴在今四子王旗境内建立国最高政权机关－－－中部单于廷。西汉初年的六，七十年间，匈奴的势力最为强大，并常有战争。汉，匈初以兵戎相争，后通过“和亲”改善了汉匈关系。“昭君出塞”就发生在这个时期。有史料记载，王昭君曾到过黑河，并说黑河即今乌兰察布境内的大黑河。当时的乌兰察布南部区域，属雁门郡，定襄郡，代郡辖。北部地区仍属匈奴。
魏，晋，南北朝三百多年间，北方少数民族进入内地，形成民族大融合的新时期，增进了各民族间的经济文化交流。鲜卑族拓跋部组成部落联盟，统一了黄河流域，建立了北魏王朝，在盛乐（今和林格尔县土城子古城）建都。随之讲依附北魏政权的敕勒族从贝加尔湖迁来，安置在漠南阴山地区的平原上驻牧。这其中包括了乌兰察布的广大地区。北魏王朝的都城从盛乐迁到平城（今山西省大同市）后，在今乌兰察布境内设三镇，即：武川镇（今武川县境内），抚冥镇（今四子王旗境内），柔玄镇（今兴和县境内）。以此作为保卫京城的前哨。
隋唐时期，乌兰察布北部居住者突厥民族。后南迁白道川（武川蜈蚣坝），大利城（和林格尔土城）等地。当时属于定襄郡的有和林格尔，武川，卓资；属马邑郡的有凉城，集宁，察右前旗，清水河；属雁门郡的有丰镇，兴和。北部属突厥。唐兴盛后******归唐。唐在今和林格尔境内设单于大都护府。唐朝末年契丹崛起于东北，于公元十世纪初建立辽国，在今********地区始置丰州。当时的乌兰察布地区为契丹占有。公元1115年女真族建金，承袭辽制。乌兰察布区域分隶云内州（达茂），丰州（四子王，武川，和林格尔，清水河），大同府（集宁，察右中旗，凉城，丰镇），宜德州（察右前旗，商都，兴和，化德）。
元朝时，在乌兰察布地区设置德宁路，净州路，集宁路，并隶属于中书省（即直辖），作为朝廷的腹地。当时乌兰察布地区分属于集宁路，兴和路，大同路，净州路，德宁路。
明朝时，元朝的蒙古各部落退到大漠南北，各据一方，形成封建割据。16世纪初，蒙古族首领达延汗统一大漠南北蒙古各部，分设万户，并把6