明成祖朱棣打败建文帝朱允 ，定都北京后，诏日“天下既定，度要害地，系一郡者设所，连郡者设卫。”明永乐二年十一月二十一日（1404年12月23日），明成祖朱棣认为直沽是护卫京畿的军事要地，同时也是漕运、商船往来冲要，兼以海口田土肥沃，宜于屯守，于是决定在直沽设卫，赐名“天津”，意谓天子车驾渡河之处。
明嘉靖二十九年(1550)，《重修三官庙碑记》（天津历史博物馆藏）记载：“成祖文皇帝入靖难，圣驾由此济渡沧州，因赐名天津。”即为纪念明建文二年(1400)十月二十七日明成祖朱棣率兵南下与其侄建文帝朱允争夺皇位，从直沽渡河偷袭沧州的胜利。
天津城西门（摄于1900年八国联军炮击后）
明永乐二年十二月九日（1405年1月9日），明廷决定设天津左卫。明永乐四年十一月八日（1406年12月18 日），改青州右卫（一说青州左卫）为天津右卫。（“卫”是明朝的军制，卫下设千户所、百户所，由指挥使统领。每卫士兵足额5600人，兼有屯田守卫之责。）至此天津共设三卫， 直隶于后军都督府，卫兵定额16800人，三卫屯庄散在海河以南沿南运河至德州以东地区。
明永乐二年(1404)，明成祖命工部尚书黄福、平江伯陈碹负责督建，都指挥佥事凌云、指挥同知黄纲具体筹划施工，在卫河（今南运河）与海河之间的三角地带的小直沽筑建城垣——天津卫城。
美国“费城华埠”牌楼，其原型出自津门
天津卫城的筑建历时一年有余， 人们赞誉它赛过当时的淮安城（今河南省泌阳市）。翌年， 又经刑部侍郎张思恭监督补修。《明实录》卷三十六说： “永乐三年秋七月庚申，改工部侍郎张思恭为北京刑部侍郎。初思恭坐事，命督修天津卫城，至是还奏称旨，遂改官刑部，仍令督修天津卫城。”
当时的天津卫城，城墙周长达9里13步，东西长504 丈，南北长324丈；垣高1.98丈，垛高0.42丈，共高2.4 丈。共有城垛1454个。卫城东西长而南北短，呈矩形，有如算盘，故俗称“算盘城”。城垣四周之中各开一门，东日镇东门，西日安西门，南日定南门，北日拱北门。在这四个城门中，以拱北门最为壮观。各城门之上和城之四角均建有城楼，以供哨望戍守之用。
由于卫城临河而建，东距海河220步，北离卫河200步，故皆以河为池，不另掘濠。 西、南两面虽无河流环绕，但地势较为低洼，沟洫甚多，挖掘城濠亦是易事。 明永乐初年筑建的卫城，虽有“赛淮安城”之誉，但却不过是一座土城。
由于天津地势低洼，夏秋之间常有水患，城垣屡遭浸泡冲涮，加之年久失修，至明孝宗即位之初 (1488)，城垣多有坍塌。兵部尚书兼大学士李东阳曾在 《修造卫城旧记》《[康熙]天津卫志》中追述说：“予尝以使命夜道天津，见土城颓圮，兵士传递者越堞而行，若履平地，心甚讶之。”明弘治六年(1493)，明孝宗乃诏令天津兵备道副使刘福监修天津卫城。
刘福原为四川巴县人，对修城工作颇为负责，认为“城池最重，宜亟为之处”。他“累岁 而计”和“徐而图之”，多方挖掘财力、物力和人力。对于城墙的质量要求十分严格，“城为高甓而扃之，隅方而准平”， 城楼“皆逾寻累尺”，施工精巧。
这次修建后的天津卫城， “平看俯瞰，迥出尘垢”，更加壮观。应当指出，由于施工条件的限制，这次修城也只能是在土城的外表“瓮以砖石”， 即重新砌上一道城砖。（1970年，曾在北门修建地下工程时发现刻有阴文并配以两道边栏的长方形砖1块，砖上有 “天津卫窑户口口城砖”的字样。专家研究推论，这块城砖即弘治修城遗砖。）
明万历十四年(1586)，天津兵备道副使王来贤奉命再次修建天津卫城，由于没有历史资料记载，其详情不得而知。此后几十年间，墙垣又多有残损败坏。至明天启二年(1622)八月，由于大雨成灾，使“南北城口， 坍塌七十余丈”，造成“高堂巨屋，倒着不可胜计”。于是， 天津巡抚毕自严特上《修造城垣议留班军》奏折，建议朝廷拨款重修天津卫城。由于御倭防清战事日紧，修城一事未果。明崇祯十年(1637)，明廷复有重修天津卫城之议，但结果亦因国祚难保而罢举。
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