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三國和魏晉南北朝時期
三國和魏晉南北朝時期，基本上實行的是州、郡、縣三級制。
魏、蜀、吳三國鼎立時期，省境共置涼州1 州（另有一部分地方分屬雍州和益州）、12郡、77個縣。大部分地方屬魏國，南部的部分地區屬蜀國。屬于魏的有涼州（治姑臧，即今武威市）的金城、武威、張掖、酒泉、敦煌郡，雍州（治長安，今陜西省西安市）的隴西、天水、南安（今隴西、武山一帶）、廣魏（今秦安、通渭等縣）、安定郡（今平涼、慶陽和寧夏回族自治區固原等地）和新平郡鶉觚縣（今靈臺縣東北）。屬于蜀國益州（治成都，今四川省成都市）的有武都郡、陰平郡的7個縣。
西晉，省境設涼州、秦州，兼屬雍州，統12個郡、72個縣。涼州，治姑臧（今武威市），轄6個郡、41個縣，即金城郡、武威郡、張掖郡、敦煌郡、酒泉郡、西郡（今山丹一帶）；秦州，治冀縣（故治在今甘谷縣東南，后遷至上邽，即今天水），統6個郡、24個縣，即隴西郡、南安郡、天水郡、略陽郡（原廣魏郡，晉武帝時更名）、武都郡、陰平郡（今文縣和四川省平武縣）。屬雍州（治長安，今陜西省西安市）的為安定郡，治臨涇（今鎮原縣），統7個縣。
進入東晉，社會動亂，北方形成分裂割據局面。從西晉末到十六國時期，跨境或在甘肅境內先后建立的割據政權有：后趙、前秦、后秦，各占有約當今甘肅一部之地；前涼（公元314 －公元376 年），歷時62年，治姑臧（今武威市），轄區東至秦隴，北及居延，南逾河湟，西至蔥嶺；西秦，都苑川（今榆中縣東北），轄區約當今甘肅西南部；后涼（公元386 年－公元403 年），都姑臧，建國18年，初有前涼舊地，后除姑臧外，僅有倉松（今古浪西）、番禾（今永昌西）2 郡；南涼（公元397 年－公元414 年）立國18年，都廉川堡（今青海省樂都縣），轄地東至金城，西到青海，北據廣武（今永登東南），南有河湟；北涼（公元397年－公元439年），歷時43年，初都張掖，后遷姑臧，據有武威、張掖、敦煌、酒泉、金城、西海、西平、樂都等郡地；西涼（公元400年－公元420年），立國21年，都敦煌，后遷酒泉，轄區約有今肅州區、玉門、瓜州、敦煌（市、區）。
南北朝時期，甘肅先后為北魏、西魏、北周的統治地區。這一時期，南北對峙，國家分裂，州縣林立，政權更替頻繁，“百戶之邑便立州名，三戶之民空張郡目”的情況比比皆是，行政建置十分混亂。
北魏，甘肅境設置8個州、35個郡、91個縣。秦州，治上邽（原名上邽，今天水西南），轄天水、略陽（今秦安、天水市區、清水、靜寧縣）、漢陽（今天水市一部分和成縣西北部）3個郡、12個縣；南秦州，治洛谷城（今武都區境），統水南（今西和、禮縣和天水市一部分）、漢陽（今禮縣東南）、武都（今武都區西北地）、脩城（今康縣平洛鎮、成縣南部和陜西省略陽縣西北地）、仇池（今成縣西北和西和縣部分地方）、武階（今武都區東南地）6 郡、18縣；涇州，治臨涇（今鎮原縣），轄安定（今涇川縣北部和平涼市西北部分）、隴東（今平涼、鎮原等地）、平涼（今華亭、靈臺西部）、新平（今涇川縣東南、陜西彬縣西南、寧夏回族自治區固原附近）、趙平（今靈臺縣東南、陜西省長武縣部分地方）、平原（今平涼市東）6郡、17縣；河州，治枹罕（今臨夏市東北），轄金城（今臨夏東南和榆中縣部分地方）、武始（今臨洮縣境）、臨洮（今岷縣東北、渭源縣西南部）、洪和（今臨潭縣境和臨洮縣西南部）4 郡、14縣；渭州，治襄武（今隴西縣西南），統隴西（今隴西縣西南）、南安陽（今隴西縣東北部）、廣寧（今武山、漳縣部分地方）3郡、6縣；原州，治高平（今寧夏回族自治區固原縣），領高平（今寧夏回族自治區固原縣境）、長城（今平涼市西北部）2郡、4縣；涼州，治武威（今武威市），統武安（今民勤縣西南）、臨松（今張掖市和民樂縣一部分）、建昌（今榆中西北、臨夏北部）、番禾（今永昌縣境）、泉城（涼州府境內）、武興（今武威市西北和北部）、武威（今武威市境）、昌松（今古浪縣南部、北部和涼州區東南部）、東涇（故址不詳）、梁寧（今酒泉市境）等郡；瓜州（今敦煌市境）。
北周，甘肅境設22州、56郡、104縣。22州是：涇州，治安定（今涇川縣北），轄區約當今鎮源、靈臺、涇川縣和崆峒區、平涼、華亭縣之一部；原州，治平高（今寧夏回族自治區固原縣），轄區約當今崆峒區、會寧和寧夏回族自治區固原地區之一部；寧州，治趙興郡城（今寧縣），轄區約當今慶城、正寧、寧縣、環縣一部分；靈州，治薄骨律鎮城（今寧夏回族自治區靈武縣西南），轄區約當今寧夏平羅、靈武、銀川市部分地區；秦州，治上封，轄區約相當于今天水市部分地方和靜寧縣西南部；交州，治安陽（今秦安縣北），轄區約當今秦安縣西北部；渭州，治襄武（今隴西縣西南），轄區約當今武山、隴西、渭源、漳縣之一部；武州，治將利（今武都區東南），轄區約當今武都區東南和文縣東北部；成州，治洛谷城（今西和縣南洛峪鎮），轄區約當今西和、禮縣南部；康州，治同谷（今康縣嘴臺子），轄區約當今康縣、成縣東南部；文州，治建昌（今文縣西南），轄區約當今文縣西南部；宕州，治陽宕（今宕昌縣西），轄區約當今宕昌西部和舟曲縣西北部；芳州，治封德（今迭部縣東南），轄區約當今迭部縣東南部；疊州，治疊川（今迭部縣江洪灘附近之巴什旦卡），轄區約當今迭部縣之一部；洮州，治美相（今臨潭縣），轄區約當今臨潭和卓尼縣之一部；岷州，治溢樂（今岷縣），轄區約當今臨洮西南、岷縣北部、卓尼縣東北部；旭州，治金城（今碌曲縣東），轄區約當今碌曲縣東部；弘州，治廣川防（今碌曲縣西南），轄區約當今碌曲縣西南部；河州，治枹罕（今臨夏市），轄區約當今臨夏州大部、蘭州西部和臨洮縣之一部；涼州，治姑臧（今武威市），轄區約當今民勤東北、涼州區、永登東南、永昌西部；甘州，治永平（今甘州區西北），轄區約當今甘州區、山丹、民樂、肅州區、高臺之一部；瓜州，治鳴沙（今敦煌縣東南），轄區約當今敦煌、瓜州、玉門市之一部。