城内大明湖水域却在不断扩大，到金元时几乎占城到了城市面积的三分之一。

　　金天会十五年（1137），刘豫被金朝废黜，设置汴京行台尚书省辖伪齐旧地。天眷元年（1138），设立山东东路（治益都）、山东西路（治东平府），“山东”一词自此具有了行政区划的意义。济南府隶属于山东东路，辖历城、临邑、齐河、章丘、禹城、长清、济阳七县。这一时期，济南城的政治地位进一步加强，山东东西路宣抚使、山东东西路提刑司的驻地都设在济南城内。金章宗时，设立行省制度，在山东路置山东行省、益都行省。在金人统治山东的数十年间，济南地区自然灾害严重，水灾、旱灾、蝗灾不断出现，经济发达、人口稠密的济南城一时间陷入凋敝。
　　
　　金元鼎革过程中，山东地区的诸多城市屡遭兵燹。济南城躲过了这一浩劫，城市未遭到重大破坏，但城内人口大量流失，“济南府城空二十余年”。
　　
　　元代，分天下为中央直辖的中书省及十个二级行政单位行中书省，设二十九路、八州、三府。济南府改为济南路，直属中书省管辖，下辖历城、章丘、邹平、济阳四县，另辖棣州、滨州两州，治所设在济南城中。济南路直隶中书省管辖，成为腹里之地，政治地位随之加强，城市经济恢复较快。至元二十三年（1286），设立山东东西道宣慰司与山东东西道肃政廉访司，治历城。第二年，宣慰司移治益都。
　　
　　元末，刘福通领导的红巾军曾占领并在济南经营了三年之久。至正十七年（1357），刘福通以毛贵为东路军，进攻山东半岛。毛贵由海州入海，登陆胶州，攻克莱州、益都、般阳、滨州后，围攻济南不下。至正十八年（1358），毛贵军在占领蓟县后回师攻陷济南城，杀死元守将爱迪。次年，红巾军内乱，毛贵被谋害。至正二十一年（1361），元军利用红巾军内部矛盾收复失地，包围济南城长达三个月。十月，红巾军守将刘珪投降，元军收复济南城。由于这两次长时间、大规模的攻防战，城市变得更加破败。
　　
　　至正二十七年（1367），朱元璋统一南方各路起义力量后，派徐达进军北伐。徐达取下邳、沂州北上山东半岛，同时派韩政扼守黄河一线，防止元军增援。十二月，徐达攻克益都，周边城市守将纷纷投降。