護城河亦稱護城壕，是城牆外圍環城一周的人工防護河，為阻止敵軍接近城牆、固守城防的重要城牆防御工事。西安城有一周水深壕寬的護城河，其護城河工程在歷史上經歷了兩個發展時期。

     第一個時期是初掘於唐末。西安城的前身是隋唐長安皇城，而皇城屬於內城，為大城中的子城，且位處於唐城北部中心地區，城牆外圍並沒有修掘護城河。唐長安城只是在外郭城牆外3米左右環掘了一條寬9米，深4米的城壕。直到唐末昭宗天元年(904年)三月，佑國軍節度使韓建改築長安城，放棄了外郭城與宮城，僅以皇城改築為新城。這時新城即原皇城已由以前的內城變的為外圍城，出於城市防御的需要，始在新城的城牆外環掘了一周的護城河，這就是西安護城河的早期工程。五代宋金元府城路城相沿而用，並多有疏浚，導水入壕。這一時期，京兆城護城壕的多次疏浚及其引水渠道龍首渠的多次疏通，說明當時省府地方官員對護城河防御工能的高度重視，也反映了護城河在鞏固城防中所起的重要作用。

西安城護城河發展的第二個時期是明初的拓掘。明洪武七年(1374年)正月，明太祖朱元璋命宋國公馮勝“往陝西修城池”，即西安城牆在原隋唐皇城的基礎上向東、北兩面拓築的同時，隨著城牆的外移，城周規模的擴大，亦延長拓掘了護城河。拓掘後的明代西安護城河，位於城牆外側20米～60米，壕深二丈，合6.4米；廣八尺，合2.56米，環城一周，共長四千五百丈，較之城牆周長四千三百零二丈，長一百九十八丈。並在護城河內沿築有高六尺，合1.92米；厚二尺，合0.64米的壕牆一道，外逼壕塹，內為夾道，以增強護城河的防御作戰能力。明初除拓築了西安城外圍的護城河外，還在營建的秦王府城的內城(磚牆)外圍也修掘一道環城一周的護城河。

    今新城護城河廣場前東側的東壕巷，即其王府內城外昔日城壕舊跡相沿之稱。

    清代時期對明初拓掘後護城河進行了多次加深加寬和疏浚。順治十三年(1656年)陝西巡撫陳極新葺修西安城垣，並疏浚護城河。康熙元年(1662年)總督白如梅、巡撫賈漢復浚深城河至三丈，合9.6米。乾隆二年(1737年)九月，陝西巡撫崔紀行因引水渠道淤塞，西安有壕無水，遂疏浚龍首渠與通濟渠，引水入壕。特別是乾隆四十六年(1781年)，陝西巡撫畢沅全面疏浚護城河，再加深四尺，面寬六丈(合19.2)米，底寬三丈(合9.6米)，僅此工程費銀八千余兩。此後，同治二年(1863年)西安將軍穆騰阿、光緒二十二年(1896年)清軍同知王诹、二十四年(1898年)陝西巡撫魏光焘、二十九年(1903年)陝西巡撫升允等多次疏浚護城河，並引水注壕。

    引水渠道與排水渠道為了解決西安城護城河的水源和城市生活供水，五代宋金元及明清時期，先後疏通了原城東郊的龍首渠，並新開鑿了城西南郊的通濟渠，引水入城，排注於壕。同時，為了解決城市排水問題，明代時期又修了余公渠。   

    龍首渠，西安城引水渠道之一。始鑿於隋開皇三年(583年)。此渠引流水，從秦溝村處堰水北流，至長樂坡分為二渠，東渠從長安通化門北上，繞郭城東北角，入於大明宮。西渠從通化門處入城，分注興慶池、東市放生池及宮城東海池，為長安東城地區的主要供水渠道。但此西渠，至五代後期逐漸干涸不通，府城居民飲用惟靠井水，護城河也是有壕無水。宋大中祥符七年(1014年)九月，永興府(今西安)知府陳堯咨以府城井泉大半鹹苦，居民不堪食飲，遂上奏宋真宗，請求疏鑿龍首渠西渠，引水入城並灌注護城河。其奏疏雲：“州臣親相度城東二裡有水渠曰龍首，其水清冷甘冽，可五六十丈，開渠引注入城，散流廛，出納城壕，阖城盡食甘水”(元駱天骧《類編長安志·渠》)。

    陳堯咨在疏引龍首渠水入城的同時，循唐舊跡，在城東支分龍首渠水南注於興慶池，使五代時因龍首渠斷流而逐漸干涸的興慶池，又恢復成為水波蕩漾游人如織的風景名勝之地。慶歷(1014—1048)時曾於池北立《宋興慶環城公園池禊宴詩碑》。宋人宋舜欽有《興慶池》詩：“余潤漲龍渠，疏溜連清。助曉遠昏山，浮秋明刮眼。魚歸別浦閒，雁下蒼波晚。岸北有高台，離魂蕩無限。”

    金代時期，龍首渠入城及灌注城壕之水未斷，時興慶池仍支分渠水入注。天眷(1138—1140)時，京兆知府張仲孚還在興慶池北修有眾樂堂與流杯亭，曲水流觞，日與賓客宴游其中。

    元代初期，為解決護城河的水源與府城的引水，極為重視龍首渠西渠的疏浚。至元元年(1264年)，陝西行省平章賽典赤贍思丁赴任即疏浚龍首渠西渠及其支道。《類編長安志·渠》龍首渠條載：“至元甲子，賽平章復引水入城中。至元十年，復開五季後涸渠，自長樂坡西北流入王城(安西王府城)，一渠西流，灌興慶池，經勝業坊入城，經少府、錢監、都水監、青蓮堂、西入熙熙台(在府成西北隅)，西入城壕。”即通貫於府城的東西，最後西出排注為護城河的水源。

    明初，由於西安城區向東、北兩面的擴廣，護城壕的繼掘延長，以及城區之內諸王府與各衙署新的部署，增加了城市供水的需要，因而在府城拓建工程於洪武十一年(1378年)畢工後，立即對龍首渠進行了重新規劃疏治。《明史·河渠志六》：洪武“十二年，李文忠言：‘陝西病鹹鹵，請穿渠城中，遙引龍首渠東注。’從其清，以石。”《明實錄·明太祖實錄》又載，洪武二十九年(1396年)正月二十四日，明太祖“诏修西安城中水渠，引龍首渠水注之，覆以石，以障塵穢。計十家作渠口一，以便汲水。舊西安城中多苦水，渠成民獲其利。”但西安城僅此龍首渠一脈之水，只能流注東城區，且代遠物遷，堤倚高原，日見削損。七八十年後，水源艱難，城中軍民多於晨昏爭汲，汰清而後可用。天順(1457—1464)時曾圖修治龍首渠，因費用過钜，難成而止。成代元年(1465年)，陝西巡撫項忠在從城西新鑿通濟渠的同時，並疏鑿了龍首渠。《明史·項忠傳》：“西安水泉鹵不可飲，為開龍首渠及河，引水入城。”項忠這次疏鑿久湮廢的龍首渠達三十余裡，並對其進行了全面的整治。首先將引水口由原馬登空(今有人認為在秦溝村)南移到留公村附近，合采峪、庫峪、荊峪及大義谷第一派入之水，傍河西岸築堰，西至亭子頭，皆鑿原穿洞而過，又西流申家灣，再西流十裡入城。其次，渠水入城後，在流經鹹寧縣與總府(在今東縣門街)前二十丈，渠道皆以磚砌，余雖土渠，也都以板木棚蓋，以土覆之，用以防護。弘治(1488—1505)時，陝西巡撫周季鱗與西安知府馬炳然再次疏浚整治龍首渠。凡城內渠道，俱用磚砌。在城外申家灣等處，造橋架槽引水入渠，以免沖激之患，並對城外六十裡土渠疏浚後築岸加固，以防走洩。

    經明代多次疏鑿整治後的龍首渠，從府城東長樂門之南引水入城後，分為三派：一派從玄真觀南流，經陽王府(在今建國路)南西流，轉東羊市，過鹹寧縣、總府西流，支分一水入永興王府(在今鐘樓東南)，轉北過馬巷口(今降子巷附近)，沿北大街北上，分為兩支：一支北流入陽王府(在今北城門內東側)，一支西北流注於蓮花池(今蓮湖公園)；一派從真武庵(在今東門內南側和平巷附近)北流，注入長樂門北楊大人宅；一派從東羊市分流，沿大菜市(今大差市)北流，分為兩支：一支西北流入臨潼王府(今尚德路中段路東)，一支西流入秦王府城。

   清代時期對龍首渠也進行過多次疏浚，而護城河注水渠向發生了變化。康熙三年(1664年)，陝西巡撫賈漢復疏浚龍首、通濟二渠。康熙以後，龍首渠亭子頭以下故道湮塞。乾隆二十八年(1763年)陝西巡撫鄂弼修築西安城，將渠水入城水門廢棄，自此龍首、通濟二渠之流都不能入城(通濟渠後於光緒二十九年再次導引入城)，僅能分注於東、西城壕，故乾隆四十年(1775年)陝西巡撫畢沅雖疏浚二渠，亦是為灌注城壕。〔嘉慶〕《鹹寧縣志·地理》：“今通濟渠入西城壕，而龍首則自灌田外入東郭冰窖，余者注東城壕，而渠自此絕矣。”此後，道光五年(1825年)陝西巡撫盧坤、光緒二十二年(1896年)清軍同知王诹都是因城壕干涸而疏浚龍首渠的。