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为了防御退回到漠北的蒙古势力，明朝廷非常重，修筑北方长城和加强长城防务。洪武元年（1368年）徐达刚刚攻下元大都，朱元璋就命其整修居庸关、古北口、喜峰口等处关隘。永乐元年（1403年）明迁都北京以后，明朝历代皇帝更是把修筑长城作为边防要务，修长城几乎与整个明朝历史相始终。明代长城不仅城墙高筑，墩台林立，长城各级防御工程（镇城、路城、关城、堡城、敌台、墙台、城墙、烟墩等）相互配合、层层节制，构成了一个以长城为核心的雄伟、完整、严密的军事防御体系，而且作战武器也有了很大发展，开始使用杀伤力更强的新式武器——火器，长城的军事防御能力因此更加强大了。
明代古北口更是一处雄关险隘，它既与东西两侧长城相互呼应，又自成一个坚固的防御体系。这里不仅设有正关——铁门关，正关之西潮河上还有水门关，潮河水从其下的三道水门通过。水门以西悬崖壁立，悬崖脚下有一条紧密相连的敌楼，人称姊妹楼，长城自姊妹楼盘旋直上。正关南2.5公里有古北口营城，即古北口城（今俗称关城），明洪武十一年（1378年）建，设守御千户所。洪武三十年（1397年）升为密云后卫，下辖左、右、中、前、后5个千户所，古北口路参将亦驻此城。古北口城跨山而建，「南控大石岭，西界潮河川，为古北要冲地」。（民国三年《密云县志》）城周2公里外，有南、北、东三门，今城已不完整（西南角被京承公路切断，南门不存，其余部分城墙仍在，北门和东门位置清晰可辨）。
古北口正关南建有潮河营城，又称上营，驻兵守卫关口，指挥官为提调，今部分城墙及北墙上的玉皇庙尚存。古北口西南潮河川口还设有潮河关，筑有营堡，亦设提调守之，今城已毁。古北口关外潮河东西两岸还筑有两道「龙须」状夹墙，墙上各造三座敌楼，其外还有独立的烽燧，形成古北口关和潮河口外的一道钳形防线。古北口正是由于这重重防线、道道关口，共同构成一个坚固的防御体系，易守难攻。
明嘉靖二十九年（1550年），蒙古鞑靼部俺答汗之军巧用计策，突入古北口，兵临明京师，发生了震惊朝野的「庚戌之变」，随后俺答部又从古北口退出。其后数年，俺答不断犯边，数次兵临古北口。虽然如此，明代的古北雄关作为京北整个长城防御体系的核心组成部分，在捍卫明都北京安全方面仍起着重要的作用。