公元1226年，北方“蒙古汗国”的成吉思汗率领大军征伐西夏，首先攻克了黑水城，并由此南下，直取西夏的国都中兴府，次年，西夏灭亡。元朝建立后，黑水城依然沿用。而且受到元朝统治者的重视。当时这一地区划归甘肃行省，称“亦集乃路”元朝在这里设置了亦集乃路总管府，管辖这一地区及西宁、山丹两州。

    由于黑水城是漠北通往内地的重要交通枢纽，元朝统治者不仅派遣了大量军队来黑水城驻防，还从各地迁来许多汉族和蒙古族人，来这里与当地人共同发展农牧业生产。当时，各族人民利用额济纳河的水利资源开渠造田，经过数十年的奋斗，先后屯田近万亩。

    元朝时期，由于经济的发展和人口的不断增加，原来的黑水城已不能满足需要。于是在原有城池的基础上，对城市进行了扩建改造。扩建后的黑水城，东西宽450米，南北长380米，是原来城市面积的三倍。扩建后的城市，不仅增加了城区面积，而且加强了城市的防御能力。当时的黑水城，城墙高达十米，城内有登城马道七条，设有宽约六米的东、西城门两座，并在城门外加筑了瓮城。在四面城墙的外侧还修筑了马面、角台等御敌建筑。