春秋战国时期，沈阳成为燕国的属地，为归顺的肃慎氏所有。西汉时期，汉王朝在今沈阳一带置侯县城，后辽东郡，后汉时改属玄菟郡。从后汉中叶起，沈阳被作为玄菟郡郡治，称高句骊县。今天，我们在沈阳市博物馆里看到的汉代遗存物，是从距市区东南10公里左右的浑河南岸出上的，据推测这里可能就是前汉侯城县治及后汉宫菟郡治所在。
至东晋中后期，玄菟郡为后燕所有，郡治徙置今朝鲜的咸兴，沈阳仍称高句骊县。公元407年，北燕灭后燕政权，沈阳又为北燕所据，高句骊县废。此后，沈阳又曾先后归属北魏和隋、唐政权。唐睿宗景云年间（710—711），渤海国在今沈阳一带置沈州。唐末，沈州为新崛起的契丹族人所占。辽太祖神册六年（921），辽兵将在沈水北岸置三河县。后改为乐郊县。成为沈州兴辽军及昭德军的治所，其址就在今沈阳附近。金代，沈阳为沈州显德军治所。
元初仍称沈州，后因沈州地居沈水以北之故，更沈州为沈阳路（古以水北为阳，水南为阴）。关于“沈阳”的来历，有一个古老的传说。相传在沈水北岸的石嘴头山（今指柱山）下、住着一个小伙子沈哥。这年，沈水突然平地起浪，洪水肆虐，原来是沈水的龙王三头蛟在兴风作浪。一沈哥发誓要找到三头蛟，为民除害。恰好东梅龙王的三公主羊妹听说父母要将自己许配于表哥沈水龙王三头蛟，就背着父母跑到沈水龙宫来，想亲自观察一下表哥的人品，不料三头蛟正在大摆“童男宴”，羊妹一看，肺都气炸了，决心帮助沈哥除掉三头蛟。她脱下龙衣给沈哥穿上，说：“穿上龙衣，你就可以飞上天了，你要到火海里去把太阳哥哥搬来，只有太阳哥哥的火才能烧死三头蛟”沈哥闯进火海，太阳烤得沈哥都冒烟了，但是沈哥还是咬紧牙关，扛起太阳就跑。回到沈水，三头蛟正在拼命地把羊妹往水里拖，沈哥连忙将太阳扔了过去。三头蛟被太阳哥哥烧成灰，但是沈哥自己也支持不住，掉进了河里。羊妹见状。万分着急，喊了声；“沈哥——”便跳进河里想去救他。可是她忘了她的龙衣已经脱给沈哥了。
乡亲们找遍了沈水也没有找到沈哥和羊妹的尸体，就在沈水北岸立了块碑，上刻“沈羊”二字。后来，以这块石碑为中心修建了村落、城池，这地方就叫沈羊，因为正好又在沈水的阳面，后人不知道沈哥羊妹斗蚊龙的故事，就误以“沈羊”为“沈阳”了。