北宋和南宋的版图都较小，与它们并存的还有辽、金等国家。五代后期，契丹族建国，947年正式改国号为辽。1125年被女真族所建的金国所灭。不久蒙古兴起，1234年灭金，在大规模军事征服的过程中，建立了横跨欧亚的大汗国。1271年，忽必烈即大汗位，定国号为元，建立元朝，定都大都(今北京)，1279年灭南宋，统一了全国。
辽金元时期，山西、河北一带作为政府的腹地和战争的大后方，留下了不少古迹。辽金盛行佛教，所以古迹中最多的是寺院佛塔。天津蓟县的独乐寺观音阁，大同的华严寺、善化寺、山西应县的佛宫寺木塔，至今保存完好，其木建结构极其精密牢固，可称建筑史上的奇观。
在天津蓟县城西门内，始建于唐代，重建于辽统和二年(公元984年)。寺内主体建筑为山门和观音阁。山门的屋顶为五条脊四面坡，正脊两端鸱〔chi 吃〕尾向内翘，不同于明清时向外翻转的龙尾，这是早期鸱尾的实证。在我国现存的同类式样的山门中，独乐寺的山门是建造最早的。观音阁外观为两层，中间有一暗层，实际上是三层。正中是空井，阁内供一尊高16米多的观音像。这座大阁建成以来，已有1000年的历史，经历过近30次地震，其中有三次地震达到八级，震中就在蓟县县城附近，寺内房屋倒塌不少，唯有观音阁未受损伤，只是在二层灰泥墙上出现几条小缝。因为全阁的整体木构件采用了双层套筒式木构架，内外两圈柱框，中间用枋子联成整体，同时再加斜撑，这就使整个构架极其稳重牢固。此外，上下柱框之间还加了一层斗拱，各拱枋之间采用榫接法，地震时榫卯之间的摩擦力可以抵消部分震动力。为防止震后整个构架变形，设计者又在长方形平面的空井上层加四根抹角的枋木，这就更增加了双层套筒的稳定性。
建筑原理和独乐寺观音阁类似。这座塔建于辽代清宁二年(公元1056年)，俗称“应县木塔”。高67.13米，底层直径30米，八角形，九层，建在四米高的石砌台基上，是世界上现存最高的古代木构高层建筑。塔身采用双层套筒式木构架，极为牢固。建成200多年后，元顺帝时经历大地震七天，仍岿然不动，堪称我国古代木构建筑的杰作。
在大同市内，是辽金时期重要的大型佛教寺院，寺内至今保存着辽金建筑遗构，在我国文化史和建筑史上占有重要地位。华严寺在辽代兼有辽皇室祖庙的作用。明中叶时分为上下二寺。上寺的主要建筑大雄宝殿是金代遗构，下寺的主要建筑薄伽教藏殿是辽代遗构。全寺主要殿宇都面向东方，沿袭了契丹拜日、以东方为上的原始宗教信仰。薄伽教藏殿的建筑艺术向来为我国建筑史籍所称引，这是一座存放藏经的大殿。梁架举折平缓，檐柱升起显著，出檐深远，斗拱变化很多，殿内外斗拱共有八种，有令拱、华拱、慢拱、瓜子拱、泥道拱等多种花样。殿内天花板上的装饰图样都是辽代通行的纹样。大殿内还排满了藏经的木柜，共38间，都做成双层檐楼阁式，名叫“重楼式壁藏”，分为上下两层，下层是经橱，每间开板门两扇。上层是佛龛，龛内顶部和腰檐平座遮檐板上的彩绘图案都是辽代旧作。佛龛柱头的斗拱极其繁复，共有17种，是目前所知辽代斗拱中最复杂的。西壁当心间窗还有五间天宫楼阁，规格和壁藏相同。束腰华版上刻有30多种几何透心花纹。这些壁藏是国内仅见的辽代小木作，十分珍贵。殿内佛坛上布列着31尊辽代彩塑像，是辽塑中的精品。大雄宝殿始建于辽，现存大殿为金代天眷三年(公元1140年)所建。殿内采用辽金建筑常见的减柱法，减少内柱12根，扩大前部空间，以便布列佛像。殿内布满壁画，面积之大，在国内罕见。
善化寺始建于唐开元年间，寺内大雄宝殿是辽代遗构，金代重修，其余都是金代建筑，是我国目前保存最完整、规模最大的辽金寺院。大雄宝殿坐落在善化寺后部三米高的台基上，斗拱承托外檐，梁枋梁架全部外露。当心间的金柱和老檐柱之间的藻井，由下而上层层叠收，周围施斗拱四层，形成钻尖式模型结构，雕制精湛，形制、手法与大殿梁架和斗拱相同，都是辽代原构。大殿正中佛坛塑像五尊以及莲花宝座上的各种雕塑均为辽代遗物。东西两侧塑24个天神，文武男女各不相同，体形丰伟，塑工尤精，是金代彩塑的上品。三圣殿的结构糅合宋辽建筑的特点，檐下左右次间各出60°斜拱，形如花朵怒放，在金代斜拱中是最为宏大壮丽的，殿内采用减柱法，仅用四根巨柱支撑殿顶，空间开阔。这座殿是金初的木构建筑的代表作。
除华严寺和善化寺外，五台山佛光寺中的文殊殿也是著名的金代建筑。它建于金天会十五年(公元1137年)，殿内空间面积很大，屋架前后两槽都使用了横跨三间的大内额(方柱形大木材)，后槽在内额与内额之间用斜材传递负荷，构成近似人字柁架的屋架。屋檐下斗拱层层相迭，斜拱宽大，看上去就像怒放的花朵，这是辽金建筑的特征。这座大殿屋架结构特殊，在我国金代以前的古建筑中较罕见。殿内佛坛上有文殊菩萨和侍者塑像六尊，装饰富丽，也是金代原物。
辽宁、河北地区遗存着不少辽金时期的佛塔。最常见的辽塔多为八角13层砖塔，实心，不能攀登。第一级塔身很高，八面都雕有佛龛、宝盖、飞天等，檐部有砖雕斗拱。这级塔身连塔基的高度几乎占全塔的一半。第二级以上才是密檐，塔顶上有宝瓶、刹杆、宝珠等。辽代五京地区遍布这种佛塔，其形制后来又为金代所继承，从而在中国建塔史上成为风格独特的辽、金古塔。
辽、金古塔中砖雕艺术水平较高的有辽宁北镇县的崇兴寺双塔、辽阳白塔。崇兴寺双塔始建于辽代，经历代维修，至今保存完好。双塔以崇兴寺为中心，东西对峙，形制相同，高40多米。塔座上雕有斗拱、曲水万字栏板和仰莲等，每个角都刻一个力士像，作出负重的样子。第一级塔身每面下部中央都刻有一个拱形佛龛，中间雕一尊坐佛，龛外两侧各有胁侍一人站立。塔上还有明万历时辽东总兵李成梁重修的小石碑。李成梁是明代名将，曾屡次击退鞑靼察哈尔部的侵扰。
辽阳白塔在辽阳市白塔公园内，建于金大定年间(公元1161—1189年)，形制与一般辽金古塔相同。唯十二层密檐间有多面铜镜。第一层雕刻的佛龛、胁侍、飞天都较精致。至今仍保存着初建时的风貌。
此外河北正定县的广惠寺华塔，现存结构形制为金代风格。这座塔造型奇特，第一层塔身八个平面，各在四个正面再加扁六角形亭状单层套室，套室和塔身各面都有圆拱形洞门。第二层八面每面三间，当中是门，两边有假方格窗棂和长方尖形佛龛，下有平座。第三层以上塔身骤然缩小，呈圆锥形，按八面八角的垂线雕有虎、豹、狮、象、龙及佛像等壁塑。塔身各层还雕刻着许多仙人、仙兽，亭台楼阁，构图复杂，雕工精细。
始建于金大定二十九年(公元1189年)，到明昌三年(公元1192年)建成。明清时对石桥又进行过大规模的修葺。桥共11孔，全长266.5米，宽7.5米。桥墩为船形，分水尖上装着三角铁柱，可以击破河水化冻时撞击桥墩的冰块，人称“斩龙剑”。桥上两侧石雕护栏的望柱共281根，柱头刻大小石狮，千姿百态。北京有句流行的歇后语：“芦沟桥的狮子——数不清。”形容狮子很多。经文物工作者实地考察，桥上共有大小狮子485个。桥东头坐的两只大石狮，身长1.73米，重三吨，身上爬着的许多小狮子，只有20厘米大小。桥西头是两只石象，用头顶着最后的石栏杆，造型十分有趣。意大利旅行家马可·波罗在元代来到中国，曾称赞它是“世界上最好的、独一无二的桥”。古时芦沟桥是南北交通的必经之路，两岸有很多旅舍驿馆，行人清晨起来，天色初曙，尚见疏星晓月，所以“芦沟晓月”成为一大名胜，并被乾隆列为“燕京八景”之一。
由以上名胜可以看出，辽金时期的建筑工艺和科学水平已相当发达。元代统一中国后，手工业和商业得到发展，科技进步很快，尤其是天文学已达到世界先进水平。
在今河南嵩山之南告成镇，建于元代初年，是我国现存最古老的天文台。古人用圭表测量日影。圭就是向正北方向放置的板，旁边立一根垂直于地面的标竿，叫做表。季节不同，表影的长短不同。冬至时表影最长，夏至时表影最短。根据这一变化，古人便可计算一年的时日变化。由于太阳底下的阴影越近边缘越淡，很难确切地把握影子的终点。元代天文水利学家郭守敬便对旧式圭表作了重大改进，使阴影边缘清楚，以便准确地测量影长。告成镇的古观星台，就是郭守敬指挥建造的砖石结构的新式圭表。台身像一只倒扣的斗，两边有砖石所砌的阶梯通到台顶。台顶用水磨砖铺地，北面墙壁正中有一个与地面垂直的表槽。表下端的石圭由36块青石圭面构成，总长31.19米。石圭上面水平程度极好，方位与当地子午线相合。除了测影计时以外，这里还有观星的功用，但仪器今已不存。建造了这处观象台后，郭守敬还在全国建立了27处观测点。他在至元十七年(公元1280年)编制的《授时历》，所测定的一个回归年，比现在所测定的只差26秒，与至今仍通用于许多国家的格里高利历一致，而比格里高利历早300年。
元代是海外交通、中外贸易空前繁荣的黄金时期。福建的泉州当时与埃及的亚历山大港并称为世界上最大的贸易港，与泉州往来贸易的国家和地区达100多个。《马可·波罗游记》对泉州港口的繁荣景象有过生动的描写。书中提到，在当时来往于波斯湾、中国海之间的船只中，中国船最大，多数是广州和泉州所造。泉州所统有的海船计有15000多艘。元至正二年(公元1342年)，摩洛哥著名旅行家伊本·巴图塔来到泉州，将这里誉为“世界唯一之大港”。当时指示航行的灯塔——六胜塔，至今仍在晋江县完整地保存着。塔高31米，八角五层，上刻莲花、金刚、力士等浮雕，雄伟壮观。
贸易的繁荣也促进了中外文化的交流，伊斯兰教、印度教、古印度教等外国宗教都随之传入内地。现泉州市内的清净寺就是我国现存最早的古伊斯兰教清真寺之一。据寺内的古阿拉伯文石碑载，清净寺始建于北宋大中祥符二年(公元1009年)，300年后到元至大二年(公元1309年)，耶路撒冷人阿哈玛重修。现存主要建筑有青白花岗石砌筑的三重大门，都是圆形穹顶尖拱形，典型的伊斯兰教清真寺风格。寺内有奉天坛，附设讲经坛。坛内大小壁龛及南墙外壁嵌有古阿拉伯文的《古兰经》石刻经句，至今完好。这座清真寺是我国与阿拉伯各国文化交流的历史见证。
中外文化融合的迹象甚至反映到了佛教寺院中。泉州最大的佛教寺院开元寺，原建于唐武则天时，唐玄宗以开元的年号为此寺命名。五代到宋时，寺旁设支院120所，元代并为一寺。现占地50亩。寺内建筑规模宏大，有许多茂密的古榕树。大雄宝殿雕塑技术高超，尤其大殿柱头铺仰莲护斗上挑出一拱，上面附刻带翅膀的飞天乐伎24尊，在国内古建筑中罕见。殿前月台须弥座的72幅狮身人面青石浮雕，殿后廊的两根古婆罗门教青石柱，上面刻着古埃及神话传说故事以及印度、斯里兰卡等地婆罗门教的神话，都是元代遗物。大殿内用近一百根海棠式巨型石柱支撑殿堂，俗称“百柱殿”。这些建筑反映了元代泉州在开放的全盛时期所受到的外来文化的影响。
元代文化艺术成就最高的是戏曲和壁画。“元曲”和唐诗宋词并称，成为中国文学最重要的遗产之一。金元的戏曲称“杂剧”，在山西、河北一带十分兴盛。现在山西临汾、新绛、洪洞等地还保存着元代的戏台。从山西侯马市西北郊发掘的董氏砖雕墓中，还发现了墓壁中砌着的小戏台。砌法是在墓内正屋檐上砌一平座，下用两根小柱支撑。平座上有两根小八角柱，托着一根大枋，枋上有柱头补间等斗拱，托着一个山花向前的歇山式屋顶，屋顶上还有带兽头的装饰。台上有五个砖雕的演员，分别为生、旦、净、末、丑五种角色，生动活泼。墓主人董海、董明先后在金明昌七年(公元1196年)和大安二年(公元1210年)埋葬。因此这个小戏台所再现的是金代戏剧的表演艺术。此外山西洪洞县东北霍泉的源头，有一座水神庙，山门上就筑有舞台，主殿称“明应王殿”，建于元延祐六年(公元1319年)。殿内四壁布满壁画，南壁东侧画的是戏剧演出场面，作于元泰定元年(公元1324年)，共绘有演员和场面人员11人，四女七男，演员行当俱全，化妆、服装、道具、布景、乐器、幕布、舞台等，都画得很仔细，色彩纯朴浑厚，人物传神。画技既佳，又反映了元杂剧兴盛时期的情景，在我国戏剧史上有重要价值。
元代壁画在山西古寺庙中保存下来的很多，最著名的则是山西芮城县的永乐宫壁画。永乐宫原来在芮城西向20公里的永乐镇上。据记载，这里是道教“八仙”之一吕洞宾的诞生地。乡人为他建“吕公祠”，金代扩充成道观。后被火烧毁。元代推崇道教，又把观升级为宫。永乐宫与宫内壁画的施工共用了110多年的时间。解放后为修三门峡水利工程，又用七年时间，将全部建筑和壁画迁到芮城县北的龙泉村复原保存。永乐宫内主体建筑共五座，除宫门为清代所建外，其他均为元建。龙虎殿、三清殿、纯阳殿、重阳殿四座大殿都有精美的壁画，总面积达960平方米。主殿三清殿内的壁画就是著名的《朝元仙杖图》，画面高4.26米，全长94.68米，全部面积计403.3平方米，像一条彩带环绕整个大殿，而全殿只是这一幅画，绘于元泰定二年(公元1325年)，作者是洛阳马君祥父子等人。图中描绘的是诸神朝拜道教始祖元始天尊的情景。中心是八个主神，帝后装束，四周围绕着290多个值日神，分四层排列。人物神情各异，构图整齐而不呆板，组织繁复而不杂乱。画面强调照应，又适当注意变化，使人物动态一致、倾向一致，服饰大致相似的人群，通过微小的转侧和顾盼，得到相互之间的呼应。画中线条严谨、简练、流畅，有的线长达几米。面部表情能用各种不同的线来表现，眉眼特别有神，皱眉肌的变化，以及眼与其他各部的关系处理得准确巧妙，从而使同样严肃的面孔上显示出各种不同的个性。整个画面色彩单纯明朗，以石青石绿为主，衣冠宝盖大量运用沥粉贴金，总体色调既灿烂又沉厚。总之，这幅图气魄宏伟、人物生动，充分体现了我国传统白描技法的高度水平。纯阳殿内的《纯阳帝君仙游显化图》，画的是吕洞宾一生的故事，共52幅，采用连环画的形式，每个故事间用山水树石等自然景色隔连。画上有大官、商人、平民、农夫、乞丐、学士等各色人物，亭台楼阁、酒肆茶馆、园林别墅等各种环境，展示了元代社会生活的风貌。重阳殿里也是用49幅连环画，表现元代道教全真派首领王重阳的神话传说。这些壁画题材丰富，笔法高超，是我国绘画艺术的瑰宝。