明永乐二年(1404年)筑城设卫，称“天津卫”。始于隋朝大运河的开通。唐中叶以后，天津成为南方粮、绸北运的水陆码头。宋金时称“直沽寨”，元朝改称“海津镇”，是军事重镇和漕粮转运中心。 明太祖朱元璋在1368年建立明朝后，为了巩固王朝权利，将自己的儿子们封为王，分别驻守各地。第四个儿子朱棣被封为燕王，驻守北京。
1398年，朱元璋病死。因为太子早年夭折，所以由朱元璋的长孙朱允炆继位，史称建文帝。燕王朱棣经过几十年的苦心经营，在诸王中实力最强。由于建文帝平庸无能，加上自己的政治野心，朱棣在1400年以“靖难”为名，发兵与其侄子建文帝争夺皇位。朱棣率兵从天津的前身-直沽出发，偷袭沧州，并经过几年的战争，最终攻陷南京，夺取皇位。
1402年，朱棣即位，是为明成祖，年号“永乐”。为了纪念开始发兵的“龙兴之地”，朱棣把“直沽”这个曾的“天子渡河之地”赐名为天津。“天”是天子的意思，而“津”是指渡口的意思。天津得到赐名后，于同年设置了军事部门。“卫”是明朝的军事建制。天津卫也开始了筑城建设，初建时的天津城其实是个土城，这座土城周长9里多，城高3丈5尺，宽2丈5尺，城的形状是东西长、南北短，很像一把算盘，所以当时人们也把它称为“算盘城”。
当时天津设有天津卫、天津左卫、天津右卫，统称三卫。至今人们经常提到的“天津卫”一词，就是从此而来。2004年12月23日是天津设卫筑城600年的纪念日。天津设卫建城600 年，决不是说天津只有600年的发展史。从秦汉到宋元，历代在天津地区挖渠开河，运粮建寨，设官建制，发展鱼盐业生产等活动。由于金、元两朝，建都北京，天津地位日显重要。但是天津作为一个具有完整意义的都市却是从明朝开始的。
天津建成以后经过百余年的发展，在明清两朝多次重建，规模不断扩大，原来的土城墙也换成了砖墙。清朝雍正3年(1725)，天津改卫为州，雍正9年(1731)又升州为府，并另设天津县，天津城也成为了地方行政中心。
为了加强防卫，同时兼顾防洪抗洪，天津城在雍正年间重修时将原来3丈5尺的城高降低为2丈4尺，将城基宽由原来的2丈5尺扩建为3丈2尺，使天津城城墙成为一个梯形。重建后的天津城不仅扩大了东南西北四个城门，还在城墙上设置了守望塔和炮塔等防御设施。至今天津还流传一首民谣说：“天津市三宗宝，鼓楼、炮台、铃铛阁。”这些建筑也是在天津城重修中建设的。
建卫筑城后的天津各方面都有较快发展，特别是粮、盐两个经济支柱更为显著。永乐帝建都北京后，南方的物资都需经天津转运，天津的航运开始了大规模的发展。