汉宣帝即位后，匈奴继续不断侵犯西汉边境，赵充国曾率兵3万从酒泉出发征讨，很快取得了胜利。后来，朝廷又派遣他率4万骑驻守五原、云中、雁门、上谷、渔阳等九郡，当时，赵充国虽已年逾古稀，但由于他威名远扬，匈奴畏惧其威名而再也不敢侵犯边境。
匈奴被平息之后，西羌又扰边作乱。神爵元年（前61年），诸多降羌和归义羌侯杨玉等联络小种举兵，在兰州及其以西地区扰边作乱，攻城邑，杀长吏，义渠安国以骑都尉率骑3000屯备浩亹，为羌所败，退至令居。如何才能打败西羌的侵犯，成为汉宣帝最为头痛的事情。
他经过反复思考，认为赵充国是最好的人选，因为在朝廷里他最熟悉羌人情况，但是充国当时年已76岁，毕竟太老了。宣帝一是怕他难当重任，二是觉得实在不好让他再出征。于是宣帝派御史大夫去问他谁可以率军出征？如何才能打退西羌的侵犯？出乎意料的是，赵充国毅然回答：“再没有比我更合适的人选了！”至于谋略，赵充国认为：百闻不如一见，金城遥远，很难估计其军事形势，“只能到金城后才能根据实际情况制订出退敌的方略”。就这样，赵充国毅然决然地担当起了平息西羌作战的重任。
这年四月，赵充国率军出征。兵抵金城后，并不贸然行动，而是先派少量部队渡河弄清情况。见敌人没有埋伏，便于次日全军渡过黄河。羌人数十百骑出入军旁，赵充国估计是诱兵，认为小利不足贪，命令军士不可追击，只派兵四处侦探。晚上率军乘夜推进至落都（今青海乐都），见羌人未守险，遂西至都尉府（治临羌县，今青海湟源东南），修筑垒壁，安营扎寨。羌军多次挑战，汉军坚守不出。
从捕得的敌兵口中得知，羌豪已开始相互责备，说：“说不叫你们造反，你们偏要造反。现在大汉天子派遣赵充国将军率军前来，赵将军已经八九十岁了，善于用兵打仗。现在他坚守不出，我们现在即使想一斗而死，能办到吗？”于是赵充国根据羌人内部已经产生了矛盾这一实际采用恩威并举方略，招降罕、幵羌及其他被先零胁迫的羌人种落，瓦解羌军。七月，率军推进至先零地区。羌人屯兵已久，戒备松懈。忽见汉军大兵来临，慌忙抛弃车马辎重，欲渡湟水撤退。由于道路狭窄，赵充国命所部缓慢追击。有人建议赵充国迅速追击，赵充国说，这是穷寇，逼迫太急，走投无路，会回头死战。羌军掉入河水溺死者数百人，投降及被汉军斩杀者500余人，损失牲畜10万余头，车4000余辆。汉军追至罕羌驻地，赵充国严禁士卒焚烧房屋与割禾放牧，羌人“闻之喜，曰：汉果不击我矣”。于是又有羌族万余人来降。十二月，宣帝再派破羌将军辛武贤、强弩将军许延寿与赵充国合兵进攻先零。鉴于羌军已遭重创，赵充国奏请撤除骑兵，以步兵屯田戍卫。三次上书，终获宣帝采纳。于是在河湟（今兰州市永登、红古和青海省西北部分地区）地区实行屯田，寓兵于民，既解决军队的后勤供应问题，又有助于边疆防守，对保障边塞安全，促进边疆地区农业发展和交通畅通起了重要作用。他在呈给宣帝的《条不出兵留田便宜十二事》中说：“步兵九校，吏士万人，留屯以为武备，因田致谷，威德并行，一也。又因排折羌虏，令不得归肥饶之地，贫破其众，以成羌虏相畔之渐，二也。居民得并田作，不失农业，三也。
军马一月之食，度支田土一岁，罢骑兵以省大费，四也。至春省甲士卒，循河湟槽谷至临羌，以示羌虏，扬威武传世折冲之具，五也。以闲暇时下所伐材，缮治邮亭，充入金城，六也。……治湟峡中道桥，令可至鲜水，以治西域，信（伸）威千里，从枕席上过师，十一也。
大费既省，徭役豫息，以戒不虞，十二也。”实行屯田后，据史料记载，“自本始以后数十年，四夷宾服，边塞无事”。他死后，宣帝画其像于未央宫麒麟阁，位列同被画像的11位中兴名臣之第四。
神爵二年秋，诸羌共杀先零羌首领犹非、杨玉降汉。汉设金城属国安置降羌，撤除屯田军队。
赵充国此战之所以能够以很小的代价而取得大的胜利，主要原因有四：一是确定的战略得当。对羌人恩威并重，利用矛盾，分化瓦解，不一味杀戮，因此得到大部分羌人的拥护。在摸清了先零是主谋，而罕、幵是被胁迫，他们之间既相联合，又有矛盾的情况后，果断地采取了军事打击先零，政治招降罕、幵的战略方针，从而收到了良好的效果。二是高度重视侦察工作。他率兵到达前线后，并不急于出战，而是通过深入细致的敌情侦察，在摸清敌情后，抓住有利时机，集中兵力一举击破先零，致使罕、幵在政治招抚下不战而降，从而赢得了战争的完全胜利。三是集中兵力打歼灭战。他首次明确提出“击虏以殄灭为期”的打歼灭战的指导原则，对保证战争的胜利起了十分重要的作用。四是从长治久安考虑，提出屯田建议，使数十年边塞无事，从而完全达到了战前的预期目标。宣昭以后，部分羌人逐渐内徙，在金城一带与汉人杂居，逐步汉化。
西汉末年，推翻新莽政权的农民起义大规模地爆发，中原大乱，黄河流域陷于战乱之中，群雄割据，各霸一方。
延熹二年（159年），烧当、烧何、当煎、勒姐等八部羌人进攻临洮、金城。护羌校尉段熲领兵12000余骑击退西羌诸部，追至罗亭（今青海化隆境），斩2000人，俘万余。七年，封僇、良多、滇那等羌3000落归段熲。段熲乘势出兵万余，攻破顽抗的当煎、勒姐羌，斩其豪酋，俘4000余人。次年，再次征讨，杀勒姐羌400余人，降者2000余人。接着进讨湟中（今西宁一带）当煎羌，大破羌兵，俘数千人。永康元年（167），当煎部复反，段熲又率军平定。西羌诸部败散。段熲攻羌，前后达十余年，大小战斗180次，共歼3万多人。东汉王朝虽然获胜，但国力大耗，加速走向衰落。
总体而言，从公元前215年至公元220年的435年间，是今兰州地区进入中原王朝疆域并逐步巩固发展的关键时期。秦皇汉武逐匈奴，筑长城，置边郡，降羌人，既保护了兰州的农耕区，又打通和巩固了对中亚的交通，同时也造就了一些士人，形成了兰州地区早期的兵家文化，萌发了由汉、匈奴、羌等共同组成的具有明显地域特色的兰州多民族文化。
秦汉雄风，光照士人之笔
秦汉时期的民族融合和兵家文化对兰州地区士人文化的孕育、发展和形成都产生了一定的影响。首先，它给兰州士人文化和民间文化提供了发展条件和创作源泉。此后特别是明清以来，兰州士人的很多创作即是以这一时期发生的事件为素材，而民间则形成了以这一时期的人物、事件为根据的故事和传说。其中以霍去病西北斥逐匈奴为素材创作的诗词楹联最多。唐沈佺期《出塞》诗云：
十年通大漠，万里出长平。
寒日生戈剑，阴云拂旆旌。
饥鸟啼旧垒，疲马恋空城。
辛苦皋兰北，胡尘损汉兵。
民国慕寿祺《五泉山文昌宫联》云：此邦在武始郡以前，赖霍去病、赵充国、邓后将军，功业炳边陲，今虽时世变迁，祠祀宜钦明德远；先达应文昌星而降，如黄廷臣、段容思、彭大司马，声华光史册，都是山川灵秀，楷模留与后人看。
再如汉武帝派遣李广利征服大宛，引进大宛“汗血马”，在兰州地区设置候马亭，也成为历代士人创作的素材。明肃昭王朱缙炯《候马亭》诗云：
步履出城西，遥望孤亭下。
借问他为谁，遗名曰候马。
承宠二师行，恣欲三军舍。
贵畜以贱人，去众而回寡。
问道紫骝今在否，徒使亭名万古有。
清人江得符《我忆兰州好》中有一首也涉及此事：
我忆兰州好，犹余太古风。
亭高曾候马，桥卧久垂虹。
洞有梁僧迹，泉因汉将通。
清代兰州回族诗人马世焘也以此事为题，和明肃昭王朱缙炯一样，赋诗讥讽汉武帝引进“汗血马”是“贵畜以贱人”，重物不重才。其诗云：
汉武望马如望贤，贰师求马去天边。
如何神俊化龙去，空留佳话遗千年。
黄河之北石为岗，白沙黄草两茫茫。
此地有亭名候马，大宛之种最为良。
万古凡马空一洗，天马长嘶何悠扬。
玉关月白天山雪，马首犹回望故乡。
吁嗟乎！子陵钓台传严濑，诸葛草庐剩南阳。
何以候马名犹在，空亭遗址意荒凉。
若使汉武能料此，爱马之心转爱士。
一士出而天下安，战马何烦劳万里？
再扫荒苔寻旧处，一抹寒烟摧老树。
不见天马返西踪，只见天马来东路。
天马若能仍返西，应到空亭伤一顾。
昔日来时曾候来，今日去时谁送去？
其奈马不复西通，候马亭名万古空。
至今亭畔桃花色，疑是当年汗血红。
虽然诗人们对汉武帝的这一行径的看法并不客观，汉武帝并非玩物丧志之徒，而是雄才大略之主，他求取汗血马并非是为了玩耍，而是在长期的汉匈战争中，清楚地看到由于匈奴战马优良，所以骑兵战斗力比汉军强得多，要战胜匈奴的侵扰，保卫边疆，控制西域，打通中西交通，必须要有强大的骑兵，于是从改善军事装备，提高军队战斗力的战略高度出发，“使壮士车令（车令为官名，此处是以官名代人名）等持千金及金马，以请宛王贰师城善马”，但没有谈判成功。汉使离开后大宛“令其东边郁成遮攻杀汉使，取其财物”。古今中外，自古以来都是“两军交战，不斩来使”，何况汉派使者是“持千金及金马，以请宛王贰师城善马”，是和平使者。正是由于大宛截杀了汉朝的谈判使者，因而激怒了西汉王朝，同时给汉王朝一个出兵的合理理由，于是汉才派遣贰师将军李广利率军征讨大宛。尽管如此，在千年以后，兰州地区的士人们仍然以此为题创作诗文，可见秦汉兵家文化对士人文化的影响力之大、之深。
我忆兰州好，勋名壮昔年。
铸金秦守令，图阁汉屯田。
兰谷弹章著，南阳理学传。
桓桓青海迹，端不让前贤。
王孙山子石，叠叠仰青空。
这是清人江得符的《我忆兰州好》诗组之一，其中的“图阁汉屯田”所写的则是西汉赵充国在兰州西部河湟地区平定西羌后，屯田戍守之事。
秦汉时期的兵家文化对兰州地区的民间文化也有深远的影响。
具有兰州地域文化特色的金城军傩舞，据说是霍去病从中原带到西北兰州地区的。傩舞是由原始社会的祭祀仪式演变而来的，逐步成为有固定目的和内容的节令祭祀仪式。由于它在表演中必须戴面具，同时口中要发出“傩傩”之声，故称之为“傩舞”。人们表演傩舞的目的，是为了祈求汉军在战斗中获得胜利、鼓舞士气的。据一些老人回忆，在民国早期，兰州的社火队中的高跷里仍有戴面具表演的形式，只是到上世纪三四十年代后才逐渐衰落。
民间传说，兰州五泉山的五眼泉是霍去病卓鞭而成的。据说，西汉武帝时，骠骑将军霍去病率大军与匈奴鏖战于皋兰山下，由于缺水，将士干渴难当，战斗力下降。霍去病情急之下，跃马挥鞭，在山沟里插鞭入地，连插五鞭，便涌出五眼清泉，在将士饱饮之后，精力倍增，奋勇杀敌，终于取得了最后胜利。
在兰州民间，还有赵充国等的很多故事和传说，这些故事和传说说明，秦汉时期的兵家文化对兰州地区的民间文化也是有深远影响的。
王旗频换，民族文化融合
魏晋至元的1100多年间，是兰州地区民族大融合的时期，也是兰州地区多民族文化与士人文化的孕育时期。三国时期，兰州属曹魏统治区域。西晋十六国时期，古金城先后被前凉、后凉、南凉、北凉、前秦、西秦、后秦占据。东晋时又先后属北魏、西魏。由于古金城的战略地位十分重要，两晋时期一直是各政权争夺的重点对象，战乱频仍，民不聊生。短暂的隋代后，兰州进入相对安定的唐代，不到100年，兰州又先后被吐蕃、回鹘、党项、西夏占据。宋初，兰州被吐蕃、羌等占据，后被金国攻陷，兰州遂成为宋、西夏、金三政权的交汇区，一直到元代为蒙古人所占。频繁的各民族政权交替，加速了兰州地区的民族融合，也初步形成了兰州地区的多民族文化，孕育了兰州地区的士人文化。
兰州地区处于西北长城带上，是古代农耕文化与游牧文化的结合部。农耕与游牧，既在物质资料、生产技术上存在着相互依存、相互补充的关系，又在土地资源、劳动力资源以及文化价值观念等方面存在着冲突与对立。在古代政权并立的分裂条件下，文化间的冲突往往通过军事攻伐得到解决，文化间的相互依存往往通过民族间的征服与掠夺得到体现，因而清代以前，战争常常成为农耕文化与游牧文化交流的特殊杠杆，也成为民族融合的催化剂。因此在兰州地区，自魏晋至元的1100多年间，攻伐不绝，战争不断。频繁的民族战争和不同民族政权的交替，特别是众多少数民族的交替统治，产生的结果之一便是各民族的融合与同化。
自魏晋至元的近1100年间，兰州地区先后由汉族和5个少数民族交替统治，其中汉族政权统治和部分统治了大约400年左右，其余大部分时间由鲜卑、羌、氐、匈奴、蒙古等少数民族统治。
魏晋至元代，兰州地区的民族融合一直在进行着，但规模最大的则是魏晋南北朝时期，诚如费孝通先生所说，这一时期“是民族大杂居、大融合的一个比较明显的时期”。