明朝的兰州与兰州城元朝后期，政治腐败，阶级矛盾和民族矛盾日益激化，农民起义风起云涌，元朝政权摇摇欲坠。借助农民起义的威势而壮大的朱元璋决定推翻元朝，派徐达、常遇春率兵25万长驱北伐。元顺帝至正二十八年正月，朱元璋在南京称帝，国号大明，建元洪武，以元至正二十八年为明洪武元年（1368年）。同年八月，明军攻克元大都，元朝灭亡。十二月攻取太原，镇守太原的元将廓扩帖木儿败走甘肃。
明军自东向西横扫而来，先后攻取山西大同，直捣奉元（今西安），攻克凤翔，于明洪武二年（1369年）四月，兵指甘肃。明军在甘肃势如破竹，连克秦州（天水）、宁远（武山）、巩昌（陇西），以冯胜攻临洮，顾时、戴德攻兰州。据传元兰州城坚固难攻，四周乡民改圆形台鼓为筒形鼓，内装武器击鼓入城，内外相应，于四月十三日攻克兰州城。此种筒形鼓便成为后来名闻中外的“兰州太平鼓”。
明军攻克兰州、临洮等地后，移师攻庆阳、宁夏，廓扩帖木儿乘虚进攻兰州，在今东岗镇、白塔山东修建城堡（俗称王保保城，实为军营），派兵重围兰州数月后闻明大军将至，引兵东退，后在定西沈儿峪被明军打败，由宁夏渡黄河北逃蒙古。到明洪武五年（1372年），甘肃之地悉为大明王朝所有。
洪武二十年（1387年），明朝实现了全国统一。
今天的兰州在明朝分属于陕西布政使司临洮府和陕西行都指挥使司。
陕西行都指挥使司（简称行都司）管辖战略要地、边疆地区如宁夏、甘肃河西等与蒙古族交界之地，属陕西都指挥使司，下设行都司、卫和所。明洪武五年，将元代庄浪州（今永登）改为庄浪卫，并将陕西行都指挥使司设于庄浪卫城。明洪武二十六年，陕西行都指挥使司由庄浪卫迁到甘州（今张掖）。庄浪卫城即今永登县城，当时庄浪卫指挥使领5600士卒。
属于陕西布政使司（驻所在今西安）临洮府的是兰州和金县。
明洪武二年（1369年），将原元代兰州降为兰县，明成化十三年（1477年）又升为兰州，管辖地域包括今城关、七里河、安宁、西固及黄河北的皋兰县南部（县北部在明代长期为蒙古鞑靼部活动区域），西与庄浪卫相接，兰州设立后，在军事上又是陕西都指挥使司所属二十一卫之一的兰州卫，设卫指挥使，统兵5600人。明洪武二年，还将元代金州降为金县，到明成化年间改属于兰州。于是兰州辖金县，属临洮府管。
除了庄浪卫、兰州、金县外，明朝在今兰州西部还有土司的设置。明洪武三年、洪武五年，朱元璋以扩廓帖木儿北逃蒙古，终为西北边患，两次命徐达为征虏大将军进行征讨。期间元安定王脱欢（1）慑于明军之威，率部投降。明洪武三年（1370年）被安置在今永登连城一带，后至失伽时赐姓鲁，统治区域为今西至青海乐都、民和，（1）新编《永登县志》记为“元太祖成吉思汗之子阔烈坚四世孙，元仁宗皇庆二年封安定王，官参知政事”。王继光研究后否认，认为“只是蒙古人后裔”。
东至永登县野狐岭，北至甘肃天祝，南至甘肃永靖、红古一带，至最盛时管辖面积约9000平方公里。职务世袭，管理当地兵、刑、民、财等事务，称鲁土司。除此而外，明朝时在其周围还批准设有红山堡土司、大营湾土司等11个土司政权，均为鲁土司下辖的小土司。
明朝初时，兰州城历经战火，加之原属板筑，用黄土夯筑而成，已破败不堪，不能适应明朝统治的需要。明代进行了四次扩筑、修葺。第一次是明洪武十年（1477年），兰州卫指挥同知（兰州卫军事指挥之副职，正职为指挥使，副职为指挥同知）王得增筑兰州城垣，其北城墙一里二百八十步，沿河而筑（位在今中山宾馆至静宁路北口滨河路上）；南城墙约为今之庆阳路北侧，长度约同于北城墙；西城墙自今中山宾馆院内往南与南城墙相接，长为一里八十二步；东城墙在今静宁路西侧，与南北城墙相接，长度与西城墙相同。东、南、西、北各有城门，门上有楼。东门为“承恩门”（今张掖路至静宁路相交处），因明都在东，以承接浩荡皇恩之意而取名；南面为“崇文门”（今南关什字附近），因城南皋兰山被视为城之“峰”，取崇尚文化，尊崇文曲星下凡之意而得名；西面为“永宁门”
始设于明洪武三年(1370年)的鲁土司衙门（今西关什字东侧），以西部边患从此再无，西疆宁定之意而取名；北面为“广源门”（今永昌路与滨河南路相交处），以黄河之水源源不绝之意而得名。城墙厚二丈六尺，高二丈五尺。按明代度量制换算，明代初建兰州城周长约3395米，总面积超过68.4万平方米，加之局部以青砖包筑，比之宋元兰州城，已是“宏阔雄伟，俨然州城”，初具黄河上游最大州城的景象了。
明宣宗宣德年间（1426年~1435年），兰州卫指挥戴旺、签事卜谦修筑外廓，为明代兰州第二次修筑州城（实为第一次扩筑）。这一次扩筑，自西北（今兰大二院东侧）至东北（今金昌路北口稍南），凡十四里二百三十一步，其周长达到58910.1米。兰州城从此有了内外城之分。但由于兰州城北临黄河，所以外城只有西、南、东三城，北线则以北城墙（洪武十年北城墙）为限。
明英宗正统十二年（1447年），都指挥李进第二次扩筑兰州城。这一次扩筑，是增筑了承恩门的外郭，使兰州城东面延伸到了今广武门一带，新筑城墙总长九十九丈，并开筑九座外城门，门墙上部筑城楼。九座门分别是东关“迎恩门”（今广场东口西侧，明弘治十年即1497年扩筑东郭时开辟），新关“广武门”（今张掖路与金昌路相交处东侧），东北“天堑门”（今市政府西侧），东南“通远门”（今静宁路与畅家巷西口相交处东侧），南关“拱兰门”（今鼓楼巷与酒泉路相交处东侧），西南“永康门”
（今胜利宾馆与市交通局办公楼之间），永康门稍往北为“靖安门”，西关“袖川门”（今临夏路西口清真寺西南侧），西北“天水门”（今中山路北口）。这次扩筑使兰州城面积扩大，气势恢宏。
明洪武七年的兰州西城门城砖明孝宗弘治十年（1497年），都指挥梁暄第三次扩筑兰州城，增筑东部外墙三百六十丈。经过这次扩筑，将兰州城向东延伸到今广场东口，兰州城规模基本固定下来，城内棋盘式道路格局也已形成。
根据各地新旧方志记载的比较，这次扩筑后的兰州城规模之大，超过了陇东的平凉、天水，河西的武威、张掖，城内“军民屋庐不下万余区”，成为甘肃最大都会，开始显现出兰州作为“黄河之都”的气派。
明世宗嘉靖二十一年（1542年），兵备副使朱旒经朝廷批准，对兰州城进行整修（事见《明实录》记载），主要对塌、陷、裂等部位进行维修，对各城楼进行补修、漆饰。明神宗万历八年（1580年），兵备副使李尧德用砖石包砌北城楼，金城四周城墙上的城堞一律用砖砌筑，使兰州城更显巍峨、壮观、坚固。
明代兰州城郭示意图明肃王迁据《明史》记载，明洪武十一年（1378年），太祖朱元璋封他的第十四子朱为汉王。洪武二十四年（1391年），朱奉太祖之命，“偕卫、谷、庆、宁、岷五王练兵临清”。第二年，改封为肃王。第三年“命驻平凉”，“二十八年始就藩甘州”。肃王朱是防止北元入侵的第一线塞王之一，统领陕西行都司所属的甘州前、后、中、左、右五护卫军务。王府同时又设立自成系统的官属。藩王的地位极高，“冕服车旗邸第，下天子一等。公侯大臣伏而拜谒，无敢钧礼”（语见《明史》卷116诸王序）。关于藩王的军权，《皇明祖训》规定：
凡王国有守镇兵，有护卫兵。其守镇兵有常选指挥掌之。其护卫兵从王调遣。如本国是险要之地，遇有警急，其守镇兵护卫兵并从王调遣。
肃王朱即有此军权，每年秋天都要统兵巡边，练兵习武，称为“肃清沙漠”（语见《明史·兵志》）。洪武三十年（1397年），肃王朱奉太祖命督军屯田，规定如“遇征伐以长兴侯耿炳文从”（语见《明史·诸王》）。
明建文元年（1399年），肃王朱“乞内徙”，请求内迁。
什么原因，史无明载。后人根据史籍中的蛛丝马迹，归纳为：一是“甘、肃兵变不常”，局面复杂，肃王难以控制；二是甘州气候干燥寒冷，又多风沙，肃王官兵、随从多来自江南，难服水土；三是蒙古鞑靼部时常南下侵扰，肃王不堪守边重任。朱与建文帝（即明惠帝）关系很好，于是朱的请求被批准。当年，建文帝派曹国公李景隆到兰州，按“下天子一等”的规格修筑肃府，位置就选在兰县县城中部偏北，此处原为元代兰州州署衙门，明初为兰县县署衙门。迁出县衙，大兴土木，修建王府宫殿、园囿。同年，肃王朱带王府官员、甘州中护卫官兵、来自江南的肃王随从和其他人员正式移藩州。
新建的王府城高二丈有余，周长三里之围，坐北朝南。从南至北，沿中轴线依次建有仪门、棂星门、端礼门、承运门、承运殿、存心殿、东西王宫、后花园、北城墙上的拂云楼。整个建筑气势庄严宏伟，凸显藩王气派。王府东侧建凝熙园，为王家园林，园内垒就假山，上筑殿宇，假山南部挖成池塘，种荷养鱼，周围垂柳、修竹、古槐、老榆分植各处，殿阁楼台分布绿荫之中，又有牡丹、菊花吐艳其间。整个园林幽雅别致，虽人工造就，成天然之趣。
肃王朱迁兰后不久，燕王朱棣夺得帝位，改元永乐。燕王以藩王身份登帝位后，自然对各地藩王心存防范，限制其活动，削夺其军权，禁止其串连。永乐帝（即明成祖）知道朱与建文帝之谊，朱棣登基后不少藩王赴京晋贺，而不见肃王，又有肃王保护建文帝逃匿的传说，遂对肃王朱多次贬损。永乐六年（1408年），朱捶杀卫卒三人，又接受哈密王进献的马匹，永乐帝即派人将肃王长史官属逮捕。不久，朱听信百户（甘州中护卫的军官）刘成的话，怪罪于平凉卫军，永乐帝又敕令将刘成等人械送京师处置。永乐帝这些不顾藩王权限和地位的作法令肃王朱惶恐不安、郁闷无解，于永乐十七年（1419年）“薨”，谥号为“庄”，后世称肃庄王。
肃王自洪武二十五年（1392年）朱受封，至思宗崇祯十六年（1643年）末代肃王识被杀，共历九世十一王251年，其中在兰有244年。
肃王府的迁兰，是兰州发展史和兰州城市建设史上的一件大明肃庄王字狮钮盨形铜炉事。虽然，自明成祖开始，肃王和其他藩王（特别是边塞之王）一样，丧失了兵权，又不能参与或干涉地方行政，但历代肃王不乏饱学多才者，肃王府内也有不少儒学之师。肃王府的迁兰对明代及其以后的兰州历史产生了极为深刻的影响：
首先，促进了兰州城市面貌的巨大改变。建成的肃王府是当时兰州最辉煌的建筑群，清代又先后成为甘肃巡抚署、陕甘总督署，民国时成为甘肃督军府、甘肃省政府，今天为甘肃省人民政府所在地。
肃王府成为明代兰州城市建筑中的核心，围绕此核心，南门外正对面和东西两侧的大街成为最繁华的商业和文化街区，得到多次修葺。城南的五泉山、河北的白塔山佛教建筑群和城内的寺庙宫观逐一新建或重修，莲荡池被开浚，中国传统建筑林立于城内外，而营造技术也由王宫逐渐传入民间，形成大片的古典风格的兰州民居建筑群。而每遇地方大型工程，如修筑兰州城墙，修建城内外官道，修葺寺庙、道观、学宫等等，肃王也总是给予捐赠、支持。明代兰州城市的建设自秦设榆中县以来，第一次得到史无前例的迅速发展，至今还成为兰城市的政治、经济、文化的中心区，城市面貌因此焕然一新。
明肃庄王墓其次，促进了兰州经济的较快发展。在明朝诸藩王中，肃王的岁支禄米数额最少，每年仅有500石，显得入不敷出。据《明史》记载，第二代肃王瞻焰在宣德年间（1426年~1435年）曾向朝廷提出要求，希望增加岁禄，未获批准。于是，王府在兰州、临洮等地广置土地，“仅兰州就有庄田2000顷36亩，地77处6段18窖、104畦，房店铺面共3311间，大门3座，水磨34轮，船磨3只，煤洞6眼，琉璃瓷窑8座，杂树99株，地基课程10处。”（见邓明《兰州史话》第89页）。王府的佃仆耕种土地，经营各业，大片土地得以耕种，同时也把先进的农业、手工业生产技术和煤矿开采技术带到兰州、传到民间，对发展兰州经济的作用显而易见。明武宗正德十四年（1519年），兰州知府筹资维修溥惠渠，用木材制水槽，置于砂砾、冢穴、山壑之处以防渗漏，肃王得知后“给木材以助之”。木槽代渠工程修成后，“利益广远，公家赋税及一方蔬果所需，仰给此水以为生者，不啻万口”（语见《皋兰县志》所载彭泽《溥惠渠记》）。
再次，促进了兰州士人群体的形成和地域文化的兴盛。兰州自秦代开始有行政建置以来，由于其军事重镇的地位和多次民族纷争造白塔山慈恩寺成的社会不安定，始终未形成稳定的士人群体（即今所谓知识分子群体），直到明肃王迁兰，这种状况才得到彻底改变。历代肃王自少时就受儒师教诲，其中不少有成就者。肃庄王朱善骑射，有勇谋，具学识，被太祖呼为“秀才”，并赐予宋本《淳化阁帖》。所撰《金天观铭记》文采飞扬，很有气势。肃靖王朱真淤、肃昭王朱缙炯、肃懿王朱缙都具诗才，并有诗集传世。肃怀王朱绅堵有狂草诗碑，碑上诗名为《次司马太恒吴老先生韵兼送之甘州》，不仅诗有意境，书法也颇具功力。肃宪王朱绅尧刊印《大藏经》，并与其子——末代肃王朱识用七年时间，令名匠摹刻宋本《淳化阁帖》，后称为《肃本淳化阁帖》，为国内善本，识还书有草书《千字文》。肃王有才，随肃王迁兰的众多江南人士中更多绝学之士。他们收徒授业，促使兰州文教大兴，成就了一大批人才，出现了进士28位、举人131位、贡生205位，其中包括黄谏、段坚、聊让、彭泽、段续等闻名全国之肃王淳化阁帖石刻拓片士，兰州终于有了士人群体。士人群体的形成极大地推动了兰州地域文化的迅速发展和繁荣。仅从他们的著述看，据统计明代兰州士人所著各种著作（包括地方志书）72种之多，内容包括哲学、史学、学、医学、兵学、边防、河工、外交等等。《临洮府志》记载说：州“有南土风，士勤读嗜学”，正是肃王府迁兰带来的新气象。
最后，肃王府迁兰后，兰州特有的民情风俗开始形成并传承至今。受肃王府各种礼仪规制的影响，特别是在理学家段坚等儒士的身体力行和大力提倡下，加上东南移民一些习俗的兰州化，使兰州人的思想观念、社会风习、人生和节庆礼俗等等方面都产生了明显的变化，出现了新的内容并相沿成习。明代以前的史籍记载兰州的风俗，有“缘山滨水，以广田畜，故能美强大，常雄诸种”（见《通典》），“风俗同秦、渭二州”（见《太平寰宇记》），“被边之地，以鞍马射猎为事，其人劲悍而质木”，“民俗质朴，尚武务农”
（均见《大明一统志》引《元志》）的记载。而明朝以后，“有南土风”。天地君亲师五尊的观念；以农为本，以士为尚的观念；天地人合一的观念；婚嫁中择人为重的观念；生产、生活和社会交往中的礼仪观念……深入人心。除夕晚妇女“天涯望哭”的习俗；正月十五肃王刻印的大藏经“玩社火”舞太平鼓的习俗；入葬用红漆大棺的习俗；等等，始自明代，留存至今，特色鲜明。而生产、生活中的各种习俗伴随着兰州农业经济在明代的较快发展，表现在居住、出行、服饰、饮食、家具、从业等各个方面。所有这些，都深刻地影响着兰州人的世界观和人生观，塑造着兰州人的精神世界。耿直而又兼容，勤耕而又好学的人精神自明代起开始体现出来。明代兰州士人的成长经历，士子在外为官的事迹，邹应龙诤谏除奸和彭泽受父杖责的记载，都是这种人文精神的体现。
镇远桥：沟通东西浮桥，又叫船桥、舟桥。在黄河兰州段，唐朝时所建广武梁，是兰州最早的浮桥。北宋时，在金城关、喀罗川口（今西固区河口乡庄浪河入黄河处）建有两处浮桥（见《续资治通鉴长编》和《西夏书事》记载）。但唐、宋浮桥都是临时性的，用后不久即拆除。只有明代所建镇远浮桥架设、使用了500多年时间，是兰州历史上第一座较固定的桥梁。明朝初年，为军事目的先后在今七里河吴家园至安宁黄河大桥之间两次修建浮桥。第一次是在明洪武五年（1372年），第二次是在洪武八年（1375）。明代人徐兰在其《河桥记》一文中记载说：
洪武五年，宋国公冯胜……去城西七里许造浮桥以济师，师还，遂撤弗（不）用。又三年，卫国公邓愈帅师定地置西凉、西宁、庄浪诸卫，仍去西约十里造桥，以通往来……名曰镇远桥。然河流湍急，堤坝弗（不）固，咸谓非久远计。
据上述记载，明洪武八年所建浮桥已得名“镇远桥”，架桥的目的是沟通与河西、河湟的联系，“以通往来”。由于此桥所在位置河流湍急，堤坝不固，不便设守，所以到了明洪武十八年（1384年），兰州卫指挥佥事杨廉移建镇远桥于今天的中山铁桥址。为了选准桥址，杨廉于洪武十七年即进行实地调查，寻访父老，征求意见，最后确定在河北西侧有金城关，北有白塔山，易于防守，河南东侧为兰州城，河面较窄，水流较缓之处架桥。于是绘图、具文，上报陕西都指挥使司，很快获准。当年夏，杨廉“躬督吏士”“造舟二十有八，常用二十有五，河涨则用其余以广之。”以宋国公冯胜、卫国公邓愈之名，令兰州冶铁大户王家炉院补铸两根长一丈八尺的大铁柱，柱上铸有年号、监铸人衔名，如今所存一根上有“洪武九年岁次丙辰八月吉日总兵官卫国公建斯柱于浮桥之南系铁缆一百二十丈”。（据考证，洪武五年宋国公冯胜已铸造一根，洪武九年卫国公邓愈铸造一根。）完成上述准备后，洪武十八年（1384年）二月冰桥消融，“冰解斋祓”，杨廉与卫所官员到河神庙祈求保佑后即开工建设，很快建成。新建镇远桥用舟二十五，“每舟相去一丈五尺，上流定以石鳖如舟之数，舟上加板，栏两傍，以卫行者。桥南、北岸各树铁柱一，木柱六，铁锁（索）大绳贯桥，令相属随波升降，帖若坦途”。王家炉院补铸的两根铁柱完工后，又分树南北，使两岸铁柱均有两根。此外，在桥南八十步处“新筑小城”一座，“延袤数丈，中置门”以盘兰州镇远浮桥查行旅。桥北则“因山为城，延袤二百丈，东西置门，建楼其上”，楼上悬杨廉所书“镇远桥”三字大匾。北楼、中桥、南城构成“边徼之要津，千古之伟观”的镇远浮桥。
1384年镇远桥的建成，是兰州乃至甘肃、西北交通史上的一件大事，不仅对兰州地区黄河两岸之间经济的交流和发展、特别是北岸经济的开发起到不可缺少的作用，而且对改善西北交通、巩固西北边防、沟通东西联系发挥着巨大的作用。正如明初兵部尚书马文升所言：“陕西之路可通甘、凉者，惟兰州浮桥一道，敌若据此桥，则河西隔绝，饷援难矣！”清康熙年间甘肃巡抚齐世武对此桥的评价更为全面：
黄河历雍、豫以至于海、皆无梁，惟皋兰有，绵亘黄河上游，其称为天下第一桥无疑。
凡塞外部落驿来王者，莫不经此桥而东以达于京师，若置邮、商旅籍以济者更无俟言。
因为镇远桥如此重要，故在桥南东侧专设河桥巡检司，驻官兵管理桥梁，盘查行旅，特别是稽查私茶北去西输。兰州是明代茶马互市的重要地区。明朝洪武年间（1368年～1398年），明朝政府严格控制茶马互市，实行金牌制度，凭朝廷特制的“金牌信符”才能从事茶马交易，任何个人不许直接参与其中。但驸马都尉欧阳伦多次私自贩茶出境销售，谋取暴利。其家奴周保借主人威势，动辄让地方官署为他征集数十辆大车运送私茶。一次通过兰州镇远浮桥时，因不满河桥巡检司盘查，竟然毒打司吏。司吏不堪忍受，便上告朝廷。明洪武三十年（1397年）六月，朱元璋得知此事十分愤怒，赐驸马欧阳伦死，陕西布政使司官因知情不报也被赐死。同时，斩其家奴周保等同案犯者，对上告的兰州司吏则“遣使赍敕嘉劳之”，《明史》对此事有明确的记载。
明成祖永乐十八年（1420年）四月四日，来自中亚帖木尔帝国的沙哈鲁王的使团500多人，穿丝绸之路来到兰州，要去北京觐见永乐皇帝。其随同人员沙哈鲁王的三王子代表、画师盖耶速丁对浮桥作·00·了这样的记述（1）：
抵哈喇穆棱河（黄河）涯。河之大，与鄂格速思河（阿姆河）相仿佛，河上有一座由二十三艘船搭成的桥，壮丽坚实，用一条粗如人腿的铁链连接，铁链又两头各拴在一根粗若人腰，在岸上有十腕尺远，并且结实地埋进地里的铁桩上。船是用大钩跟这条链子连接起来。船上铺有大木板，坚固平坦，所有牲口毫无困难地从上面通过。
当年十月，沙哈鲁王的使团返回时，仍从兰州过浮桥西去。
后来为彰显外国商旅通过此桥之便，在城北镇远门外建“万国梯航坊”，其西侧建望河楼，楼北檐悬匾曰“万里黄河只一桥”。镇远桥毕竟不是永久性固定桥梁。一来是它的结构比较简陋，“惟当盛夏水涨，浮桥时或冲断；冬冰冲激，则桥折断。断必溺人。而冬冰开结之时，车马行人陷河者犹甚”。二来是浮桥受季节的限制。每年冬十一月黄河将结冰时要拆除，次年春二月河面解冻时重搭，船若有损要重造，木植由洮州厅购运；栓船之绳所需芨芨草每年要从兰州四乡征集一次。每年拆搭浮桥，要由兰州同知指挥数百人进行，工料银两由州知州征收税项开支，费时、费工、费料、费资。尽管如此，镇远桥自1384年起至1909年的500多年间，一直是西北交通跨越黄河的唯一桥梁，有着不可磨灭的历史性贡献。
黄河大水车：兰州经济开发的历史见证明朝时期，是兰州古代第二次经济开发的时期（第一次在两汉至曹魏时期，如前所述），经过这一次开发，兰州经济由历史上农牧并举改变为以农为重。阿干河水的开发利用、木制大水车的改制和普及、矿冶和手工业的繁荣，是这一次经济开发时期最为显著的成就。
阿干河水的开发利用兰州地区干旱少雨，河低岸高，明代以前的千百年里，水利从（1）见武斌著《中华文化海外传播史》第二卷，陕西人民出版社1998年。
未得到有效的开发利用。明代人陈祥说：“古金城郡，密迩北塞，城郭内外，军民屋庐不下万余区。北逼黄河岸峻，东西两川田亩，水不能上。”城西的阿干河水也是“自马衔山经阿干来者，傍城直北泻入黄河”。
明宪宗成化年间（1465～1487年），兰州知州采择众议，组织官民，开凿阿干渠，引阿干河水灌溉田亩园圃。渠分三条：一条自龙尾山麓经关王庙，灌溉东川田亩园圃；一条自西郭入注兰州西、南、东三面城壕，以加强兰州城的防御能力；一条沿阿干河西岸经古峰寺下，灌溉西川田亩园圃。渠成之后命名为溥惠渠。以后又进行过多疏浚和改建。溥惠渠的修建引水成功，使东、西两川之地得灌溉之利，粮食和蔬菜、瓜果生产很快发展起来。明代人彭泽在其《溥惠渠记》
一文中说：阿干河引入兰州，“为利颇广。环郡城之东西南北，为圃者什，为田者什一，几百顷之灌溉；附郭之戍卒居民，饔餮饮食咸仰给焉”。“圃者”即种植蔬菜、瓜果之地，兰州成为瓜果城，正是明朝园艺业的较大发展奠定的基础。
明武宗正德十四年（1519年），针对溥惠渠频发塌陷、渗漏、跑泄等灾害，兰州知州再次组织官民整修。为有效解决因湿陷黄土造成的塌陷、渗漏，解决跨沟、越坟的问题，采取木槽代渠的办法，筹集资金，肃王世子“给木材以助之”，延绥巡抚郑阳也大力支持，令地方属官协助解决木料。在官员、贵族的大力支持下，共制造木槽144条，以其中92条连接起来跨沟、坟，然后与正渠相接，另外52条备以后增补和更换。这次维修后，兰州东、西两川田亩，园圃及城乡居民用水得到保障，兰州农业由此得到较快发展。
在开发利用阿干河水的同时，庄浪河水、蔡家河水、水阜河水、大峡河水、马泉沟水、水磨沟水以及五泉水、万眼泉水、龙泉水也先后修渠引以灌溉，得到开发利用。随着灌溉面积的扩大，为农作物新品种的引种创造了条件。据《兰州市志》记载，明代在兰州新引种的品种包括大麦、青稞、燕麦、玉麦、水稻、马铃薯、甜菜、百合、芹菜及多种瓜果。明朝兰州种植粮食及经济作物17种，瓜果14种，蔬菜34种。明末开始引种烟草，发展成为后来名闻全国的“州水烟”。
黄河大水车的改制和普及水车又名翻车、天车、筒车等，是设在水低岸高处的汲水工具，说其是“车”是因为其形如车轮。用水车汲水提水在我国有久远的历史。魏晋时的马钧曾发明翻车（即龙骨水车）；隋唐时南方农民发明竹制筒车；南宋时发明和使用水转高车；元代时朝廷令干旱缺水、“地高水不能上者”一律制造水车。
明代嘉靖年间的后半期（即约1540～1566年），兰州人段续退休后赋闲家中。在此期间，他观察黄河岸边地势，发现很有安装水车以提黄河水的条件。而他在南方为官时见过筒车，当时元代王桢的《农书》早已刊布于世，书中就有筒车的图形和文字说明。于是，段续决心在兰州黄河岸边试造。经过几次失败，反复摸索改进，终于试制成功，安装在今兰州军区联勤部北面的黄河南河道边。慕少堂所著《甘宁青史略》详细记述了兰州黄河大水车的形制：
兰州大水车其车形如车轮，辐二三丈至四五丈不等。轮径小者四五丈，大者八九丈。用二木夹轴，高擎下入河流，上出河干，轮周围斜挂木桶，水激轮转，顺承倒泄，空中高架木槽，承水引入河岸，分灌陇亩。计一轮可灌七八百亩，虽系人力，亦一水利也。惜开沟修轮，工料较多，大者动需千金，小者亦数百金。
段续改制水车成功后，以其形制奇特，灌田甚多，不愁干旱之难，兰州黄河两岸纷纷仿制，到明末时已经十分普及了。后世有人说段续“发明”“仿造”水车，都不符史实。准确地说，是段续改制了兰州水车。这是因为，第一，段续改制水车，以当地所产榆、槐、柳木为原料，取代竹子；其结构与筒车相比，按照兰州黄河水流特性做了很多部位的改进，例如加密辐条，辐条间以木条相连固定（称为登棍子）；全车用料厚重，以求坚固，能承受汛期激流的冲击；为能驱动巨大而又沉重的车身旋转，在水车上游筑拦水坝以聚水流，又在车底部开掘深坑，砌筑硬石，造成较大的水流落差，从而形成水流的大冲力使车轮运转。可以说，段续的改制使南方的筒车兰州化了。第二，虽然有元朝令修水车的正史记载，但并没有关于在段续以前兰水车的任何记载。自段续改制水车后的500年间，兰州黄河大水车一直是兰州黄河两岸主要的提水工具，也是全国独有的城市景观。兰水车独特的制造工艺名列中国非物质文化遗产名录，而兰州水车的改制成功又是兰州人民开发利用黄河水利的开始。兰州水车成为明朝州经济开发的唯一历史见证。水车改制一百年后，榆中青城农民于明崇祯七年（1634年）开凿普泽渠14里，拦截过境的黄河水灌溉。
矿冶和手工业的繁荣明朝兰州的矿冶技术与宋元时期相比，有了很大的进步。官府开办的阿干煤矿，日产煤炭“万又七千斤”，源源不断地运往兰州西城门外，供应官绅、百姓，因而形成了炭市街（今中山路中段）。庄浪卫（今永登）军器局“每年额解铜六千斤，铁八千八百斤”，如遇额解不敷支用，就差官到附近州县收买，用来制造兵器。万历二十四年（1596年），太监赵钦监开兰州银矿，当时永登一带有矿炉二十座，从事铜、银冶炼。在阿干及黄河北，分布着四家大的铁冶炼工场，其中最有名的是冶铸“将军柱”的王家炉院，他们都属于当时全国最大的十三个铁冶所之一的巩昌府铁冶所。留存至今的黄河铁桥南岸的“将军柱”、五泉山的铜接引佛，是明朝兰州矿冶发达的物证。
李清凌在其《甘肃经济史》一书中记载说：
明初洪武九年八月所铸兰州黄河浮桥将军柱，每根长1.8丈，重数吨。铸造这样四根铁柱，需要多炉连铸，没有相当的组织和技术水平是难以期事的。保留至今的兰州五泉山铜佛，洪武三年铸成，像高16尺，重万斤，是当时西北民间铜铸工艺的精品。
在矿冶发达的同时，兰州的手工业达到十分繁荣的程度，以孤古绒为代表的手工业产品在全国负有盛名。
早在唐朝末年，西域的矞羊就已经传入州。在长期的实践中，兰州各族人民不断总结和改进利用矞羊绒纺织绒褐的生产技术，至明代时创造出了孤古绒织品。据《天工开物》
记载：矞羊“内毳细软，取织绒褐，秦人名曰山羊，以别于绵羊。”所织“褐之细者，皆出兰州。”用山羊毳毛织成的绒褐出自州，被称为“兰绒”，番语称“孤古绒”。孤古绒价值昂贵，即使在原产地兰州也“一袍费至百金，一匹价十余两”。《甘宁青史略》记载说：明代一位叫方于鲁的人“以造墨起家，多缙绅交，长安贵人寄明代所筑铜接引佛兰州绒于方时，已四月矣。方急为制衣，服之以夸示宾客”。
明代士大夫以身着兰绒织衣为荣，并形成“莫不以此雅素相尚”的风气，充分显示了兰州绒褐织造业技术水平的高超，后来明朝宫廷因为兰州绒“造为织金妆花之丽，五彩闪色之华，人始贵之”，在西安开局，仿兰州织造技术织造绒褐，所需羊绒均由兰州等地供给。《明神宗实录》记载说：“洮兰之间，自传造以来，百姓……弃业农而捻线者数百万人，提花染色，日夜无休。”可见兰州毛纺织业的发达程度。
水磨、水碾推广使用，是明朝兰州手工业繁荣的又一重要标志。
明朝成化年间修筑溥惠渠引阿干河水时，就在东渠设置水磨，用以加工粮食。此后至迟在嘉靖年间，在黄河岸边设置船磨，利用黄河激流转动磨、碾，加工粮食。肃昭王朱缙炯写了一首《观船磨诗》形容说：
一板隔深渊，双轮夹小船；势长冲急碾，水正系孤舷；波浪随消长，机关自转旋；薰风堪遣兴，夜雨却惊眠；用尽人间巧，心中未晏然。
水磨、水碾利用水力，采用高差激流之水为动力，节省了人力、畜力和财力，方便了居民生活，并带动了造纸业、制香业、酿造业、榨油业的发展，每盘水磨、碾又能给地方政府带来税收收入，因而很快发展起来。据对史志记载的统计，明代兰州有水磨93盘，水碾12盘，每年水磨、碾的课钞（税额）达到1008贯。这还不包括对金县、庄浪卫的统计。
明代兰州的建筑业也十分发达。肃王府建筑群、鲁土司衙门建筑群等官署建筑，重修的庄严寺建筑群、扩建的普照寺建筑群、州城隍庙建筑群、新建的金天观建筑群、白塔山和五泉山建筑群等宗教建筑，无不显示出兰州工匠高超的建筑技术。留存至今的白衣寺多子塔历经多次地震、战火，特别是民国二十四年（1935年）10月东关火药库大爆炸，周围三里内民房全毁，而白衣寺多子塔仍然屹立无损，是明代兰州建筑业发达的重要例证。
明代兰州的人口明代前期到中期，随着肃王府迁兰、政府组织移民、水利的开发利用、经济的恢复和发展，兰州人口随之大量增加，到明嘉靖年间（1522年～1566年），属今兰州地区的兰州6164人，军卫4963人，金县16277人，庄浪卫15096人，土司控制人口约3000人，当时兰州地区总人口达到45500人。到明朝后期，政治腐败，社会矛盾加剧，贵族、官僚、富商、地主大量兼并土地，加上频繁发生的地震、干旱等自然灾害，人民流离失所，人口大量下降。
值得注意的是，明朝兰州已有了回族人口，他们多数是经商为官，从南京、北京两个方向进入兰州，一部分是屯田、服役或从事小商品、小手工业经营，从河西、临夏两个方向进入兰州。为了共同的信仰和宗教生活的方便，他们一般“围寺而居”，形成以清真寺为中心的回族聚落。据易卜拉欣·马国华先生考证，明朝即有桥门清真寺、南关清真寺（初建于五泉山二郎岗）等。但当时兰州回族人口数史无确载，不得而知。
兰州境内明长城元朝灭亡后，退居蒙古高原的蒙古势力分为瓦剌、鞑靼和兀良白衣寺塔哈三部。明宣宗末年（1435年），瓦剌战胜鞑靼，雄踞北方，成为明王朝的主要边患。后来瓦剌衰败，鞑靼兴起，经常南侵明王朝的西北边地，当时庄浪卫就常受鞑靼侵扰，今天的皋兰一带也是他们纵兵南犯的主要地区之一。《明史·兵志》记载说：“终明之世，边防甚重。东起鸭绿，西抵嘉峪，绵亘万里，分地守御。”设九镇，称“九边”以事防务。为有效组织九边防务，又设总督，分辖二至三个镇的防务。其中三边总督“辖延绥、甘肃、宁夏三（镇）巡抚”，包括州卫在内十二卫官兵统属三边总督节制，“皆置将屯兵拒守”。但自明朝宣宗宣德年间（1426～1435年）开始，由于国力转衰，边防削弱，只能靠修边墙（长城）、墩、堡，进行被动防御了。兰州地区是河西咽喉、军事重镇、藩王驻地，修筑长城成为军事要务。
兰州境内明长城分为黄河南岸长城和黄河北岸长城，分属三边总督之下的固原镇和甘肃镇管辖。黄河南岸长城属固原镇，最早修筑于明孝宗弘治年间（1488～1505年）。明嘉靖二十七年（1548年），三边总督王以加筑“墙一道，河南岸，东八十里，西九十里”。明万历元年（1573年）进一步补修这段长城。修筑、加筑、补修后的黄河南岸长城横贯东西，在今兰州西起西固区新城、梁家湾、西固城、七里河区崔家崖、土门墩、小西湖、横穿兰州市区（即明兰州城北城墙），至榆中县来紫堡罗泉湾村，又北折穿过峡谷，经皋兰县什川乡，过大峡，经榆中县青城乡、上花岔乡大浪沟入靖远县境。这段长城在兰州境内总长约200公里，现残存约1.5公里。
黄河北岸长城的修筑始于明宪宗成化年间（1465～1487年），至明武宗正德年间（1506～1521年）修成，属甘肃镇。明万历二十六年（1598年），三边总督李汶“约两河之众，集七路之师，起兵十万”，发动松山战役。战后第二年修筑自靖虏（今靖远县）哈思吉至大靖（今属古浪县）泗水堡边墙400里，并筑12堡和120座烽燧墩台。此项工程完成后，明军缩小了防守线，收复了大片失地，切断了鞑靼和青海宾兔等部的联系，强化了兰州北部和西部的防御能力。兰州黄河北岸长城自盐场堡，西经金城关、十里店、安宁堡、刘家堡、沙井驿，北折经皋兰县中心乡九合村，进西固区河口乡大滩村，再西行至永登县苦水乡，西北向红城镇、龙泉寺乡、大同乡、柳树乡、城关镇、中堡镇、武胜驿镇、至华藏寺入天祝县。现存约10公里。
兰州境内黄河南、北明长城，均为就地取材，黄土夯筑，基宽约2米～4米，高约7米。在桑园峡、大峡、乌金峡等险要地带，利用黄河天险，择高处筑烽墩。在一些地段则挑挖堑壕、设置水（木）榨以加强防御能力。另建城堡、城障以屯兵驻守。明代兰州长城沿线共建有24城堡和数座城障。这些城堡、城障发展为后来的居民区或重要乡镇，如一条城堡、什字川堡、盐场堡、安宁堡、沙井堡、苦水堡、红城子堡、武胜堡等等。
长城沿线、交通要道、高山险要之处还建烽燧，利用烽火、烟气传递军情。《兰州市志·文物志》记载兰州地区明长城沿线烽燧46处，其他烽燧115处。其中安宁区西北师范大学院内的深沟儿墩，有墩军石一块，详细记载了明万历十年二月墩台守军的情况，包括守军人数、火器配置、家具、鸡犬狼粪的准备等，反映了明代兰州烽墩兰州明代长城残存部分守军的生活状况和防卫设施，是明代兰州长城防御体系的珍贵物证。
兰州境内明代长城的修筑，有效地抵御了瓦剌、鞑靼的侵扰，保障了兰州人民生产和生活的安全，对发展兰州经济、文化所起的作用十分重要。作为明朝万里长城的组成部分，残留如今的长城残垣、伫立山巅的烽墩应当得到有效保护，因为它们见证了明朝兰州防御北边的历史，也凝聚了明代兰州人民的智慧和血汗。
金天观：甘肃道教中心肃王府迁兰后，藩王朱的兵权开始被削夺，他的行动开始受限制。特别是同为藩王的燕王朱棣夺得帝位后，对各地藩王更是加以控制和监视。为避藩王割据之嫌，也是为排解由此而引起的苦闷，朱便大兴土木，于明建文二年（1400年）选择有“仙人舞袖”之形的阿干河西岸（原唐代云峰寺、宋代九阳观旧址），修建道观。工程于春季开工，秋季建成，因观在城西，又完工于秋季，按阴阳五行之说，西方、秋季属金，明永乐初年赐名金天观。因主祀“雷祖”，民间称为“雷坛”，阿干河经过的这一段至入黄河处也被称为雷坛河。
金天观建筑规模宏大，坐北朝南，周长三里，占地39960平方米，建筑面积15000平方米，由三组建筑群构成。正南门题额“金天观”
三个大字，入观门为主体建筑雷坛。雷坛的正门题额“九天门”，入门有雷公、电母、风伯、雨师四神像。雷坛内长方形庭院的南面，居中筑三级砖台，台正中设青铜鼎一个，即为檄雷之坛，坛后依次为“雷祖宝殿”、元极殿、神御殿。坛西有法主堂，坛东有天师堂。雷坛庭院四周建回廊，其中南部回廊绘有《雷祖出巡图》和《雷祖回宫图》壁画。中部的两侧回廊在明永乐年间绘有《金阙玄元太上老君应化图》壁画，俗称“老子八十一化图”，形象地讲述老子自出生至降世显灵的神话传说故事，画面人物造型生动准确，施彩绚丽，线条流畅，布局自然，故事完整，为国内独有，弥足珍贵。直到民国十四年（1925年），陈万里在他的《西行日记》中还有这样的评述：
余以为佛传图刻，或石雕，或图绘，尚有遗存可见，道家老君应事迹则未之前闻。今金天观两廊所绘，虽为时匪遥，然全部完好无缺，特郑重记之，冀研究宗教史及宗教艺术者，知兰州有此道教壁画也。
雷坛西侧为元坛祠建筑群，东侧为真武祠建筑群，与雷坛一起，构成金天观宫、殿巍峨，布局严谨，浑然一体，气势恢宏的壮丽景观，不论是从龙尾山，还是从华林山俯瞰，都显示出“十方丛林”庄严而又神秘的气派。
金天观内古树名木众多，遮天蔽日，更显得整个道观清幽雅静。传为汉柏的一株，被称为“棋盘树”，因为肃庄王朱与观主孙碧云常在树下对弈而得名，树干上布满树瘤，既像棋子盘援，又如苍龙麟甲，引人遐思。1300多年前所植的唐槐，枝如龙爪，叶似碧障，是唐代建寺的物证。文冠果为明嘉靖年间所植，是今兰州市内唯一一株。观北的山子园牡丹高数米，天香四溢。
金天观建成后，肃王朱延请武当山玉虚宫道人孙碧云为第一任金天观主持。孙碧云是冯翊（今陕西大荔）人，自幼喜好道教之说，金天观三清殿阅读了不少道教经籍，后来拜当时著名的道教武当派祖师张三丰为师。
从孙碧云开始，道教全真教派中形成一个主张各教派融合的新派别，被称为榔梅派。由于孙碧云做过宫廷道士，名望很高，因而使榔梅派在道教界产生重要影响。孙碧云主持金天观后，榔梅派随之传入甘肃。在肃王朱的支持下，孙碧云在金天观建立传教道场，演释榔梅派教理，要求道士蓄发出家，重视修炼，严格实行丛林制度。他主张道士住庵，庵要有屋顶以遮日月之光，静坐求定，修身养性，超出俗界、色界、无色界，不娶妻室，不茹荤腥。在他的影响下，甘肃道教界风气大变，道士多出家修炼，全真派在西北道教中进一步发展。由于孙碧云来自武当山，受武当派习武之风的影响，在金天观也形成了习武练剑之风，并成为秦岭、陇山等地剑侠比武之地。受其影响，兰州四乡民间也广泛传播着棍术、拳术、剑术，喜好习武健身。
肃王朱笃信道教，不仅支持孙碧云在金天观的活动，还常去金天观与孙碧云请教全真义理和修炼之道，或与其树下对弈。后世好几位肃王不仅信道教，还为自己起了道号，如靖王为光霁道人，怀王为岐冈道人，昭王为星海道人，末王为太华道人。在历代肃王，特别是肃庄王朱的支持下，加上孙碧云的名望和影响力，金天观成为明朝甘肃道教中心。受此影响，出使中国的越南人阮无量、黎真人也在州出家当了道士，成为中外宗教文化交流的佳话。
除金天观外，明代兰州的道教建筑还有不少。其中在明代魁星阁旧址重建的三台阁包括为祭祀汉将纪信重修的兰州城隍庙；为祭祀泰山神东岳天齐大帝而创建的天齐庙；皋兰山顶的魁星阁等等。
明末的兰明朝后期，“吏贪将弱，民不聊生，水旱靡时，盗贼滋炽”
（语见《海瑞集·治安疏》），社会矛盾十分尖锐。藩王、贪官和地主豪绅大量兼并土地，“土田尽归有力家”，而农民则流离失所，被迫成为地主的佃农，遭受更残酷的剥削。为了镇压各地农民起义军，要增收“剿饷”；为了剿抚东北兴起的后金（后来的满清），要增收“辽饷”；为了扩充军备，增加军费，要增收“练饷”；沉重的田赋负担加上新增的庞大税负，使广大农民陷入“俱食树皮草根”的境地。频繁发生的自然灾害更使人民陷入苦难的深渊。明崇祯二年（1629年）二月，兰州大地震，大量房舍震塌，人畜伤亡严重。崇祯十三年，兰州、金县大旱，持续年余，饥民死者数万。斗粟价涨至2000钱。就在这样的情况下，末代肃王朱识还在花重金重修白衣寺，祈求多子多孙。人民被迫揭竿而起，兵变、起义此起彼伏，以李自成领导的农民起义军势力最大，崇祯十六年（1643年）二月建立了大顺政权。同年李自成派部将贺锦攻兰州。官军在起义军大军压境之下开城门投降，起义军杀声阵阵，攻入肃王府。王妃颜氏、赵氏与府内二百多人逃往北城墙，颜、赵二妃头撞拂云楼肃王诗碑而死。逃出王府的朱识被贺锦部下抓获，押至西安李自成处，被处死。肃藩倾覆，兰州进入满清统治时期。十年后，狄道进士张晋游览肃王府故地后，写《过故肃邸》诗感慨道：
自北王宫天与齐，寒烟深锁大荒西。
斜阳尘掩红棂闭，古木云封苍叶低。
帝子渚光花漠漠，王孙阶上草萋萋。
可怜歌舞当年地，几树残杨鸦乱啼。
