五胡十六国时期，指从公元304年刘渊建立匈奴汉国开始，到公元439年北魏拓跋焘灭北凉为止。“五胡”指匈奴、鲜卑、羯、羌和氐，他们是建立北方诸国的主要民族。“十六国”则因北魏崔鸿的《十六国春秋》而得名。北方实际政权不止十六个，“十六国”仅指其中影响力较大、较具代表性的十六个国家。这一时期，洛阳成为各方势力反复争夺的重镇。
五胡十六国时期，指从公元304年刘渊建立匈奴汉国开始，到公元439年北魏拓跋焘灭北凉为止。“五胡”指匈奴、鲜卑、羯、羌和氐，他们是建立北方诸国的主要民族。“十六国”则因北魏崔鸿的《十六国春秋》而得名。北方实际政权不止十六个，“十六国”仅指其中影响力较大、较具代表性的十六个国家。这一时期，洛阳成为各方势力反复争夺的重镇。
两赵的洛阳混战
西晋灭亡后，在黄河流域与匈奴汉国(前赵前身)相抗衡的东晋军队是李矩兵团。东晋拜李矩为冠军将军，领河东、平阳太守，他成为东晋在黄河流域的最高军事统帅。李矩兵团于公元317年冬收复洛阳。匈奴汉国“皇帝”刘聪命太子刘粲率步骑10万，渡过黄河兵临洛阳。血战20余日，晋军成功突围，迁往武牢关。
次年(公元318年)夏，刘聪死，刘粲即位。匈奴贵族靳准发动宫廷政变，杀死刘粲，自称“汉天王”。
镇守长安的刘聪养子、中山王刘曜，闻靳准叛乱，亲自率军由长安赴平阳。与此同时，匈奴汉国东单于石勒亦以讨伐靳准为名，率军攻破汉都平阳。平阳、洛阳以东之地尽入石勒之手。
刘曜建都长安，改国号为赵(史称前赵)。石勒自称赵王(史称后赵)，建都襄国(今河北邢台)。
公元328年七月，后赵伐晋至淮河，晋军大败，后赵亦损兵折将。前赵王刘曜亲率大军大败后赵石虎于高侯(今山西运城西北)，遂围洛阳。后赵石生坚守金墉城，刘曜命部下决开千金堨(è，同“堰”)的堤坝，欲水灌金墉城逼降石生，但石生坚守不动，刘曜无可奈何。
后赵王石勒亲率步兵四万及骑兵驰援洛阳。前赵军队仓促应战，阵列溃散，士卒奔逃。刘曜慌乱中被俘，后被杀。
石勒军乘胜西进，刘曜太子刘熙弃长安，逃奔上邽(今甘肃天水)。次年(公元329年)九月，石勒军攻占上邽，杀刘熙，前赵亡。
石勒既灭前赵，成为北方最强大的政权，遂称帝。《晋书·石勒载记》载，石勒“以成周土中，汉晋旧京，复欲有迁都之意，乃命洛阳为南都，置行台治书侍御史于洛阳”。石勒还在洛阳宴请高句丽等使者。
公元333年七月，石勒病死，太子石弘继位。不久，石勒之侄石虎发动政变，废黜石弘，迁都于邺城，自称大赵天王。石虎虽残暴，但对南都洛阳的建设颇为重视。其在位期间，三次役使数十万人修葺洛阳城，又迁辽西、北平、渔阳万余户居民至兖、豫、雍、洛四州。
公元349年，石虎病死，后赵陷入内乱，诸子争立，互相残杀。次年(公元350年)，汉人冉闵乘乱灭后赵，被拥立为帝，国号魏(史称冉魏)。此时，以龙城(今辽宁朝阳)为中心，由鲜卑慕容部建立的前燕日益壮大。公元352年，冉闵与前燕交战，兵败被杀，冉魏亡。冉魏所属洛阳守将降晋，东晋无力接应，以长安为中心由氐族建立的前秦趁机出兵，占领洛阳。
东晋桓温北伐
偏安江南的东晋王朝维护着士族统治，因中原汉人大批南迁，东晋经济得到稳定发展。东晋皇权不振，大将常拥兵自重，借北伐谋取声望，桓温即为代表人物。
东晋永和二年(公元346年)冬，安西将军、荆州都督桓温伐蜀，次年春灭成汉国。
东晋以桓温为征讨大都督，负责司、冀二州诸军事，委以专征之权。永和十二年(公元356年)，桓温派督护高武据鲁阳(今河南鲁山)，辅国将军戴施屯河上，率水师逼近洛阳；令徐、豫二州之兵由淮、泗入黄河。桓温自江陵北伐，进至洛南伊水。姚襄(时自称大将军、大单于，尚未降前秦)屯兵伊水北岸，阻水拒战。桓温结阵而前，亲披甲督战，晋军奋勇，大败姚襄。姚襄军自相践踏，死伤数千，余众越邙山西逃。
桓温入洛阳，屯兵故太极殿前，入金墉城，谒晋帝陵。桓温退兵后，黄河流域复被前秦和前燕占据，东晋仅控制几座孤城。东晋兴宁三年(公元365年)三月，前燕攻占洛阳。
桓温北伐时战死的将士葬于洛阳。1988年，汉魏洛阳故城外廓城内发现一处晋代丛葬墓，共60余座墓葬，皆竖穴土坑墓，每穴一棺。丛墓中发现两块完整朱书文字砖，隶书砖铭有“南头第十九西人故在……”“南头第廿西人故在……”等字样。据《宋书·胡藩传》、《资治通鉴》卷一百一十三等文献载，“西人”即“义故西人”之简称，指桓温的亲信及追随者。因此，该丛葬墓是桓温北伐时其“义故西人”中在洛阳附近战死者的墓地。
两秦两燕对洛阳的争夺
东晋太和四年(公元369年)，东晋北伐前燕，晋军进至枋头(今河南浚县西南)。前燕王慕容暐遣使向前秦王苻坚求救，许诺割武牢(虎牢)以西之地。苻坚派苟池等率步骑两万救慕容暐，晋军败退。慕容暐悔约，苻坚大怒，遣王猛等率师三万，以前燕降将为向导，攻前燕洛阳守将慕容垂(此时镇洛阳)。慕容暐遣其将慕容臧率精兵10万救援洛阳，王猛遣梁成率精兵万人迎击，大破慕容臧于荥阳。慕容垂(惧祸)弃洛阳奔前秦，王猛以邵羌镇守金墉城，凯旋。次年(公元370年)，前秦大举灭前燕，王猛一路从黄河北进军，另一路顺黄河东下，留苻融镇守洛阳，两军会师邺城，前燕亡。1986年，洛阳轴承厂15号街坊86-7号楼西端发现一座前燕砖棺墓，是前燕统治洛阳的见证。
前秦王苻坚统一北方后，于公元383年率大军87万(号称)南征伐晋。前秦军败于淝水，溃退洛阳。晋军乘胜追击，兵临洛阳。不久，晋军收复洛阳，由名将谢玄、朱序镇守。
不久，苻坚被杀，前秦崩溃。羌族姚苌建后秦，原前燕贵族则建立后燕、南燕、北燕、西燕等政权。同时，西秦、夏、后凉、南凉、北凉、西凉等割据政权并起。其中，后秦、西燕与东晋展开了对洛阳的争夺。
东晋太元十五年(公元390年)，西燕慕容永攻洛阳，晋将朱序自河阳来救，西燕败退。次年(公元391年)，西燕再攻洛阳，复大败。
后秦亦未放弃争夺洛阳。东晋隆安元年(公元397年)，后秦姚崇攻洛阳，迁其民而去。东晋隆安三年(公元399年)，姚崇再攻洛阳，东晋守将孤立无援，后秦遂占洛阳。
东晋义熙十二年(公元416年)八月十二日，大将刘裕亲率大军自建康出发，北伐后秦。十月，晋军攻占阳城(今河南登封东南)、荥阳，守军皆降。晋将王镇恶、檀道济会师成皋，继续西进，直逼洛阳。
后秦镇守洛阳的征南将军陈留公姚洸，感兵力单薄，急向长安求救。后秦王姚泓遣越骑校尉阎生率骑兵三千、武卫将军姚益男率步兵一万驰援洛阳；另遣并州牧姚懿自蒲阪进屯陕津(今山西平陆东南之茅津渡)，以为声援。
后秦内部矛盾重重，姚洸部下司马姚禹、主簿阎恢、杨虔等结党，暗中通晋。姚洸遣赵玄率兵千余赴城南柏谷坞(今河南偃师东南)防守，遣广武将军石无讳守巩城(今河南巩义西南)。不久，后秦成皋、虎牢守军皆降，晋将王镇恶、檀道济、沈林子等长驱直入。石无讳行至石关，闻晋军已过成皋、虎牢，遂退回洛阳。赵玄与晋龙骧司马毛德祖战于柏谷，兵败重伤而死。
晋军逼近洛阳，后秦司马姚禹开城投降于檀道济。檀道济军围洛阳，猛攻。后秦军力不能支，援兵不至，姚洸遂出降。次年(公元417年)八月，姚泓投降，后秦亡。
东晋元熙二年(公元420年)，刘裕逼晋恭帝司马德文禅位，即皇帝位，国号宋，改元永初，东晋亡。刘宋初期，因刘裕在晋末收复北方的青、兖、司三州，大致拥有黄河以南地区，成为东晋南朝时期疆域最大的王朝。（郑贞富）
