20世纪70年代初，中国科学院考古研究所和北京市文物管理处联合进行的一次考古发掘，从在景山北墙外探出一段宽18米的南北大街，并在景山公园内寿皇殿前探出大型建筑夯土基址，这一发现无疑给历史学家们带来意外的惊喜——这里不仅仅是明清都城的中轴线，元大都的中轴线也自北向南从这里穿过，从而将这条中轴线的历史提前了一百年。当学者们为元大都的中轴线是否穿过北海中的琼华岛而争论不休的时候，这次发掘证实元大都的中轴线与目前这条中轴线完全重合，只不过是起止点不同罢了。

可见北京中轴线起于元代，并正式形成规模，位置在今旧鼓楼大街的中心线及其向南的延伸线，越过太液池东岸的宫城中央，到了明代，统治者将北京中轴线向东移动了150米，最终形成现在的格局。

在元代，元大都城墙即为左右对称，南边正门丽正门即在中轴线上。皇城坐落在中轴线上，也是左右对称的。

但自皇城以北，中轴线向西偏斜2°。在这个偏斜中轴线上的地安门向西偏离子午线200多米，而元大都的钟鼓楼已向西偏离子午线近300米。这个偏斜的中轴线顺延270余公里后，即为忽必烈入主中原前的国都元上都（今锡林郭勒正蓝旗兆奈曼苏默）。

更为神奇的是，明清除西直门以北城墙的一角外，明清北京城基本按元代的中轴线对称（从卫星地图上看北京故宫可以明显发现其西斜），但北部偏斜的中轴线被矫正过来。