该阶段从明北京城始建起至外城瓮城建设完成止。伴随明北京内城及外城的建设，北京城形成标志性的“凸”字形城廓格局。北京中轴线的整体格局基本形成，全长7.8公里。北京中轴线现存居中道路遗存的位置、走向，古代皇家宫苑、祭祀建筑和城市管理设施的规划格局，构成其整体格局，成为成型阶段的物质实证。现存古代皇家宫苑、祭祀建筑和城市管理设施均始建于这一时期。

这一时期以明北京内城与外城建设为标志分为两个阶段。内城建设阶段基本完成了今北京中轴线大部分建筑群的建设，而外城建设阶段则通过外城永定门的营建，将北京中轴线由内城南门正阳门向南延伸至永定门，形成了今天长达7.8公里的基本格局。

明永乐四年（1406年）以宫城开始营建为标志，明北京内城中轴线在继承元大都中轴线的基础上开始营建，并效仿明南京制度建设宫殿、庙社、门阙、郊祀祭坛等建筑。相较于元大都，明北京城的中轴线将太庙与社稷坛迁至宫城以南，紧邻中轴线两侧布局，使整体规划格局更加紧凑；又在城外紧邻中轴线延长线两侧对称布局天坛、先农坛，使都城的祭祀系统进一步得到强调。明永乐十七年（1419年）在元大都南城墙以南近1 公里处构筑新城墙。明代北京内城北部街巷肌理均继承了元大都的街道规划，呈现棋盘式的规整布局，以中轴线东西对称。明永乐十八年（1420年），位于内城中轴线北端的钟鼓楼、中心位置的宫城紫禁城（今故宫）、御苑万岁山（今景山）、东西对称的庙社社稷坛与太庙、皇城南门承天门（今天安门），以及内城之外以中轴线东西对称的郊祀祭坛天地坛与山川坛（今天坛与先农坛）均初步修建完毕，两坛之间土质居中道路已初步形成。明朝于当年正式迁都北京。明嘉靖年间因祭祀制度的改变，分布于中轴线两侧的皇家祭祀建筑群进行了局部改建。这一阶段北京中轴线的格局形成以钟鼓楼为北端，经万岁山、紫禁城、端门、皇城南门承天门、“T”字形宫廷广场，至内城南门正阳门的轴线，全长达4.75 公里。

明嘉靖三十二年（1553年），为强化京城军事防御，兴建北京外城。外城城廓全长28 里，将先农坛与天坛包括在外城之内，形成了“凸”字形的城市格局，北京中轴线南段居中道路延长至外城的正南门永定门。除中轴线上的居中道路是宽阔笔直外，其余街巷多曲折狭小，这使得北京中轴线南段周围的街巷肌理与城市景观与北段形成鲜明对比。明嘉靖四十三年（1564年）修筑外城瓮城，加强城门的防御。外城建设使得北京中轴线南端抵达永定门，基本形成了今日的整体格局，全长7.8 公里。

以1912年清帝退位为起始，至1977年天安门广场完成扩建再次形成以中轴线东西对称的规划格局止。天安门广场的规划与建设进一步延续并加强了以中轴线居中、对称的规划格局，集中反映出公众对于广阔、开敞的公共空间的需求。北京中轴线上古代皇家宫苑、祭祀建筑、城市管理设施发生公众化功能转变与相应的格局和景观改造，同时天安门广场及建筑群的规划格局与建筑景观也分期建成，这些改造和建设成为这一阶段独特的发展成果。

1912年，清室颁布了清宣统皇帝退位诏书，北京中轴线公众化转变以北京老城的现代化进程为背景而展开。北京中轴线之上及两侧的皇家建筑经历了一系列功能调整，原有宫殿、苑囿、坛庙、宫廷广场等场所陆续开放为博物馆或市民公园等公共空间。其中，1914年，社稷坛被辟为中央公园，成为北京第一处转变为城市公园的皇家坛庙，并根据公园游赏需求增建了园林设施与景观。其后，先农坛（1915年）、天坛（1918年）、故宫（1925年）、景山（1928年）、太庙（1930年）也陆续对公众开放。1913年至1915年，天安门前封闭的宫廷广场被改造为可供公众休闲的公共空间，正阳门地区也被重新规划建设，以缓解周围交通拥挤的状况，促进内外城的连通。

1949年10 月1 日，中华人民共和国成立，在天安门和天安门广场举行开国大典。1952年至1958年，在北京中轴线上、广场的核心位置建立了人民英雄纪念碑。这是中华人民共和国成立后第一处在天安门广场落成的纪念性建筑，其高耸而凝重的碑体设计突显出对于居中位置的强调。此后，天安门广场分别于50年代和70年代经历两次较大规模的改扩建工程而形成今天的格局。在1958 至1959年广场的第一次扩建中，于广场东西两侧分别建设了中国国家博物馆（原中国革命博物馆、中国历史博物馆）与人民大会堂。而第二次改扩建则伴随着1976年毛主席纪念堂的建设展开，在广场南侧的居中位置修建毛主席纪念堂，并将广场南侧边界延伸至正阳门城楼，于1977年建设完成，形成以北京中轴线东西对称的长方形广场。经过公众化转变的北京中轴线，在延续元、明、清三代的格局基础上，形成了天安门广场这一新的核心，保持延续了北起钟鼓楼南至永定门、全长7.8 公里的城市轴线。

北京中轴线作为北京城市发展的基准线仍然发挥着统领性的作用，在历版城市总体规划中均强调对其予以保护和尊重。北京中轴线作为一处整体的文化遗产还开展了持续的遗产保护、考古研究、历史环境整治与恢复等工作，这充分地保障了遗产地价值的延续与传承。

1978年以后，随着社会各界城市遗产保护意识的提高，北京中轴线承载的文化内涵与遗产价值得到关注，文化遗产保护、历史环境整治工作逐步开展。同时，北京中轴线仍然是北京的城市发展之轴，在历版城市总体规划中持续统领北京城市空间结构的发展。北京中轴线的遗产构成要素均已被认定为不同级别的文物保护单位或历史建筑，实施了大量的保护工程。

进入21 世纪，考古研究、保护与修缮工作从未止步，先后对钟鼓楼、太庙、景山、故宫等进行了修缮工作，逐步扩大故宫、景山、太庙对外开放区域，并正在进行中轴线南段居中道路的考古发掘与研究。针对北京中轴线所处历史环境，通过历史文献的考证与考古研究，结合建筑重建与展示、历史肌理织补、城市更新等多种途径，逐步恢复北京中轴线景观秩序的完整性。

北京中轴线作为北京的城市发展轴线，从古至今仍然在承担着重要的统领性作用。《北京城市总体规划（2016年—2035年）》强调了“传统中轴线”（即北京中轴线）对于塑造北京古都历史格局的重要作用，指出“传统中轴线及其延长线区域未来发展方向应以文化功能为主，并要求强化传统中轴线的空间秩序，以传统中轴线及其延长线继续统领北京城市空间结构的发展。”