在明代，大同长城防卫体系的建立是一个渐进的过程，是各个时期防务演进的结果。明代大同镇的防卫可分为四个时期。分别为：洪武时期、永乐到正统时期、成化到正德时期和嘉靖到万历前期。各个时期由于敌我形势的不同，其防卫也呈现不同特点。长城防卫体系就是在这一过程中逐步建立起来的。下面，我们通过分析各个时期的防务特点极其演变，来揭示大同长城防卫体系的建立过程。
一、屯卫防卫体系
这是洪武时期防务的主要特征。
明代的军事单位是卫，地方上主管卫的部门是都司。洪武三年十二月起，明廷在全国建立都司，先后共建立十六个都司。都司本来是地方行省主管省内卫所的机构，相当于现在的各省军分区。但在个别地域，则单设都司，大同就属于这一类。大同所设的都司先是称大同都卫，后来称山西行都司。
洪武时期，在明朝的北疆，主要分布有四大都司，分别是：辽东都司、北平都司，山西行都司和陕西行都司。这四大都司共同构成明代的北疆防线。就山西行都司而言，其驻防范围东至宣府，与北平都司相接；西至东胜黄河，与陕西行都司接壤；南至雁门，与山西都司相接；北面随着对北元战事的进展，一直扩大到大漠以南。
大同都卫初设时有五卫。此后，为了加强防卫，明廷一面将边民向内地迁徙，一面增设卫所。特别是洪武二十六年，一次就增设十七卫。专家考证，山西行都司的卫所在最多时，达到三十二卫所。这些卫所，从东面的宣府一直铺展到 西面黄河边的东胜。它们建卫城、设军屯、筑关塞。从而以强大的屯卫阵营构筑起明初的大边防卫体系。
需要强调的是，明初大同的大边，实际上并非连贯的墙体（即所谓的长城），而是以卫城、军屯和关塞为特征的防卫阵营。
二、墩堡防卫体系
永乐元年，大同设镇守，在军事上开始称镇。同时，以镇守节制山西行都司，形成以都司卫所为基础的军镇体制。这也是大同做为九边重镇的开始。
永乐时起，大同镇的防务发生两大变化，一是将东胜、高山等八卫调到北平（后来的北京）附近，大同的北部防卫减弱；二是将宣府、万全等卫所划归新成立的北京后军行都督府，大同镇的防线向西收缩至天成卫，防区缩小。
但是，这一时期，明朝对北方蒙古势力呈攻势，皇帝朱棣曾“五征漠北，三犁虏庭”。同时，蒙古部落也因内部纷争而自顾不暇，没有大规模的扰边现象。但个别零星的骚扰还是时有发生。
为应对侵扰，朱棣采取了两项对策，一是修筑烟墩，加强防范。永乐十二年，正在出征中的皇帝朱棣，敕令延边都司修筑烟墩。要求烟墩高五丈，四周修筑一丈高的围墙，围墙外挖壕沟，并设吊桥出入，上下烟墩用绳索做软梯。其格局与日本侵华时期所设的炮楼相似。每座烟墩驻守十五到三十名军人。今天位于内蒙古境内的许多烟墩，就是这一时期修筑的。
二是修筑屯堡，增强抵御能力。明代的卫，除建有卫城外，大部分军人则以百户为单位，设军屯驻守。这些军屯与村庄类似，驻屯军人且耕且守。最初，军屯防卫设施都很简陋，有的建有简易土围墙，有的只有木栅栏。遇有蒙古骑兵入侵，几乎无险可守。为此，朱棣要求，以四到六所军屯为一个屯落群，在其中心地带，修筑一座坚实的屯堡。各屯的粮食等都存于屯堡内，遇有敌寇入侵，周围军屯的人户就集中到大堡防守。这是大同镇大规模建堡的开始。后来，由于敌寇的频繁入侵，筑堡之风便逐渐向民间扩散，一些大一点的村落也开始修筑村堡。
到宣德和正统朝时期，开始设置拦阻设施，也就是挖筑壕堑。从《明实录》记载来看，这一时期，这一时期修筑的壕堑至少有两道。
这样，由缘边烟墩和简易的壕堑，便构成这一时期的防卫体系。也就是被后来人所称的大边、二边。
需要指出的是，这时的壕堑与后期修筑的边墙相比，其墙体要单弱的多。
三、边墙防卫体系
明代真正意义上的修筑边墙（即长城）是从成化朝开始的。首推这一工程的是时任延绥右副都御史的余子俊。
土木之变后，明朝基本丧失了对蒙古势力的军事主动权。更主要的是，蒙古部落已经越过大漠，进入漠南，开始近边驻牧。这样，修筑可以阻隔蒙古骑兵驰骋的长城，就成为阻止侵略的必要措施。
成化初年，战事频繁在延绥地区进行。为此，成化十年，在余子俊的力推下，延绥镇筑起第一条边墙（长城），边墙上筑有敌台，用弓弩和火铳对敌作战。这一边墙的修筑，在之后的战事中，起到了明显的作用。此后，筑边便逐步成为明朝的一项国策。
大同镇是在成化十三年开始修筑边墙的。此后，又分别于成化二十年、二十三年两次修筑。
弘治朝，大同镇大规模修边行动有三次，一次是弘治三年修小边、一次是弘治八年修大边，还有一次是弘治十四年修大边。弘治十四年的修边，由于有周经的《大同镇修大边记》，因而，我们能够了解的全面些。这次修边，从四月兴工到八月完工，所筑边墙东起宣府西洋河，西至偏头关，长九百八十里。
弘治时，除大规模修筑边墙外，还在腹里修筑了大量的火路墩（烽火台），十里一大墩，五里一小墩。从边墙一直延至大同镇城及各卫城。
这样，由结构坚实的边墙、敌台和火路墩，形成这一时期的防卫体系。
同样需要说明的是，这一时期修筑的大边并不与正统以前的大边重叠，而是严重内缩。但即便如此，它也大部分应该不在现大同市境内，而是在现内蒙古境内。
四、军堡、边墙结合的驻守体系
到了嘉靖朝，原来在成化、弘治朝时所修筑的大边体系已基本丧失。蒙古部落已经驻牧于宣大边外，“虏入即至城下”。所以，嘉靖初起，便开始考虑在大同镇城以北修筑军堡，派兵驻守了。但由于两次兵变，这一计划被长期搁置了下来。
直到嘉靖十八年，才在宣大总督毛伯温的主持下，修筑了宏赐五堡。这五堡分别是镇边堡、镇川堡、宏赐堡、镇虏堡、镇河堡。从东到西一字分布于大同城的正北。同时，在五堡的以北二华里处修筑了一道几乎是笔直的边墙，由五堡分段守备。这道边墙，虽然进一步内缩，但这种军堡与边墙结合的方式，显然比较适应当时的形势，此后，在大同镇的正面，基本没有发生蒙古骑兵的大规模入侵。
毛伯温此举，开了一个极好的头。此后，大同镇延边开始大规模修筑军堡和长城，并“画段防守”。修筑时间主要是嘉靖二十二年到二十八年。还有嘉靖三十七年。
军堡分大、中、小三种，大堡设守备官一员，驻有六到七百名军人，中堡设操守官一员，驻有四百左右军人，小堡设防守官一员，驻有二百左右名军人。在几个堡之间设路，由参将居中 调动。长城上每隔三百步或小于三百步筑有敌台，用于作战。同时，在紧贴长城的内外，也分别筑敌台，对敌作战。
这样，由军堡和边墙构成了嘉靖时期的战守体系。
万历前期，除增设个别军堡和空心敌楼外，对嘉靖时的军堡和边墙又进行了大规模的加固、修整。大同镇的多数城堡都是在这一时期包砖的。
这样，明代大同镇的长城防卫体系，到嘉靖时期基本建立，万历前期臻于完善。今天我们所见到的大同长城，其主体就是在嘉靖和万历前期修筑的。长城东起天镇县的平远堡，经过天镇、阳高、大同市新荣区、左云，之后进入右玉。成为晋蒙分界线。它在新荣区内有两道，被称作大边、二边。但远非明初的大边、二边。
综合以上四个方面，得出的结论是：明代大同在四个时期的防卫体系，有着各自的特色。我们现在所见到的大同长城防卫体系，是由各个时期所创设、继承和不断发展的结果。到嘉靖和万历前期完成。期间，明代边防的内缩，防务设施的废退，也可见端倪。
