國家中心城市是中國城鎮體系規劃設置的最高層級，最早在2005年由原中華人民共和國建設部（現住房和城鄉建設部）依據《城市規劃法》編制全國城鎮體系規劃時提出。
2007年，由原建設部上報國務院的《全國城鎮體系規劃（2006—2020年）》中指出：國家中心城市是全國城鎮體系的核心城市，在我國的金融、管理、文化和交通等方面都發揮著重要的中心和樞紐作用，在推動國際經濟發展和文化交流方面也發揮著重要的門戶作用。國家中心城市應當具有全國範圍的中心性和一定區域的國際性兩大基本特徵。
根據中華人民共和國國家發展和改革委員會的定義，國家中心城市是指居於國家戰略要津、肩負國家使命、引領區域發展、參與國際競爭、代表國家形象的現代化大都市。在資源環境承載條件和經濟發展基礎較好的地區規劃建設國家中心城市，既是引領全國新型城鎮化建設的重要抓手，也是完善對外開放區域佈局的重要舉措。
國家中心城市是在直轄市和省會城市層級之上出現的新的“塔尖”，集中了中國和中國城市在空間、人口、資源和政策上的主要優勢。2010年2月，住房和城鄉建設部發布的《全國城鎮體系規劃（2010—2020年）》明確提出五大國家中心城市（北京、天津、上海、廣州、重慶）的規劃和定位 ；2016年5月至2018年2月，國家發展和改革委員會及住房和城鄉建設部先後發函支持成都、武漢、鄭州、西安建設國家中心城市。
從總體上看，北京、天津、上海、廣州應當引領環渤海、長三角和珠三角區域；重慶地處內陸腹地，居承東啟西重要戰略地位；武漢輻射帶動中部和長江中游地區 ；鄭州承擔中國東中西部地區交通的樞紐作用 ；西安立足古絲綢之路起點，發揮區位交通連接東西、經濟發展承東啟西、文化交流東西互鑑的獨特優勢。
北京：著眼建設世界型大都市，強化首都功能，發展首都經濟，建成國家創新型城市，提升國際化程度和國際影響力，聯袂天津引領環渤海地區發展。
天津：提升國際港口城市、生態城市和北方經濟中心功能，重點開發天津濱海新區，建設成為對外開放的重要門戶、先進製造業和技術研發轉化基地、北方國際航運中心和國際物流中心，協同北京輻射帶動環渤海地區發展。
上海：優化提升經濟功能，形成服務經濟為主的產業結構，建成國際經濟、金融、貿易、航運中心和國際大都市，聯袂南京、杭州輻射帶動長三角地區發展。
廣州：形成國際航運中心、物流中心、貿易中心和金融服務體系融合發展格局。建成功能完善、輻射全球的大型國際航空樞紐。增強高端要素集聚、科技創新、高端服務和綜合服務等功能，強化國家中心城市、綜合性門戶城市和區域文化教育中心的地位，建成面向世界、服務全國的國際大都市。聯袂深圳、香港、澳門推進珠三角地區現代化。
重慶：圍繞建成國家中心城市，強化重慶大都市區西部開發開放戰略支撐和長江經濟帶西部中心樞紐載體功能，充分發揮長江上游地區經濟中心、金融中心、商貿物流中心、科技創新中心、航運中心的作用。
成都：以建設國家中心城市為目標，增強成都西部地區重要的經濟中心、科技中心、文創中心、對外交往中心和綜合交通樞紐功能。
武漢：堅持立足中游、引領中部、服務全國、鏈接全球，全面提升武漢現代製造基地、服務高地、創新源地、開放平臺功能，強化長江中游航運中心及綜合交通樞紐建設，強化支撐和承啟作用，拓展沿江發展新空間，挺起長江經濟帶脊樑，加快建成以全國經濟中心、高水平科技創新中心、商貿物流中心和國際交往中心四大功能為支撐的國家中心城市。增強輻射中部的現代服務功能，打造全國重要的綜合交通樞紐，構築面向全球的內陸開放高地，建設國際知名的美麗宜居城市。
鄭州：著力發展樞紐經濟，著力提升科技創新能力，著力增強經濟綜合實力，努力建設具有創新活力、人文魅力、生態智慧、開放包容的國家中心城市，在引領中原城市群一體化發展、支撐中部崛起和服務全國發展大局中作出更大貢獻。夯實產業基礎，全面提升綜合經濟實力，突出改革創新，加快培育壯大新動能，發揮區位優勢，打造交通和物流中樞，堅持內外聯動，構築內陸開放型經濟高地，彰顯人文特色，建設國際化現代都市。
西安：加快西安中心城市建設步伐，加強西鹹新區、西安高新區國家自主創新示範區、西安國家級經濟技術開發區等建設，強化面向西北地區的綜合服務和對外交往門戶功能，提升維護西北繁榮穩定的戰略功能，打造西部地區重要的經濟中心、對外交往中心、絲路科創中心、絲路文化高地、內陸開放高地、國家綜合交通樞紐。保護好古都風貌，統籌老城、新區發展，加快大西安都市圈立體交通體系建設，形成多軸線、多組團、多中心格局，建成具有歷史文化特色的國際化大都市。
2018年1月26日，教育部《中國都市化進程年度報告》課題組、上海交通大學城市科學研究院發佈了《2017國家中心城市發展報告》。報告顯示，當時已有的8個國家中心城市綜合評估排名依次是：北京、上海、廣州、重慶、天津、武漢、成都和鄭州。
2018年11月3日，中國社科院研究機構發佈的“國家中心城市指數”報告顯示：國家綜合中心為北京；國家重要中心為上海和廣州；潛在國家重要中心為深圳、武漢、天津、成都、重慶、西安、南京、杭州、鄭州。課題組選取政治、金融、科技、交通、教育、醫療、文化、信息、貿易（物流）、國際交往十大城市功能，用以測度國家中心城市的綜合服務能力，並通過對中國內地25個樣本城市以上功能的集聚力和聯繫力進行指標化測算，得出上述研究結果。
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