菟城后来相继被鲜卑人，高句丽人等少数民族占领。东汉时期，沈阳地区分为南北两处，南部继续隶属于辽东郡，而北部则隶属于玄菟郡。三国时期，该地区为幽州所辖，从西晋开始，以辽河为界，东西两边分属玄菟郡、昌黎郡管辖，从十六国的北燕起，辽河以东为高句丽所据，直到隋朝。隋朝时期，以辽河为界，分设燕郡和辽东郡。在唐朝时期，沈阳被称为沈州。唐高宗后，属安东都护府辖区。辽初设三河县，后改称乐郊县。沈州城在辽代已具有一定的城市雏形与规模。1296年，元重建沈州土城，改沈州为沈阳路，在治地乐郊城设沈阳千户所，归辽阳行省