西汉初年，继续实行分封制。在朝廷之下分封了若干个同姓和异姓的王。王国受朝廷节制，但又相对独立。王国之下，设置支郡，支郡辖县。
前203年(汉高帝四年)，封韩信为齐王。今临沂北部地区属齐，南部地区仍属楚。
前202年(汉高帝五年)，改封韩信为楚王。今临沂北部地区分属琅琊郡、齐郡。南部地区属楚国的东海郡。
前201年(汉高帝六年)，分楚国为荆、楚二国。今临沂北部地区分属齐国的城阳郡、琅琊郡；南部地区属楚国东海郡。前193年(汉惠帝二年)，齐王刘肥为调整与吕后的关系，献所辖城阳郡为吕后之女鲁元公主汤沐邑。
前181年(高后七年)，吕后割齐琅琊郡封吕后之妹吕媭的女婿刘泽为琅琊王。此时，今临沂北部地区分属琅琊国和鲁元公主的城阳郡。南部地区仍属楚国的东海郡。
前179年(汉文帝元年)，将吕后时所割齐国的城阳、琅琊、济南等郡归还齐国。此时，今临沂北部地区复属齐国琅琊郡、城阳郡。
前178年(汉文帝前二年)，以齐之城阳郡封朱虚侯刘章为城阳王；以济北郡封东牟侯刘兴居为济北王。今临沂北部地区分属城阳国和琅琊郡。
前169年(汉文帝前十一年)，改封刘章之子刘喜为淮南王。城阳国废为郡，属齐。
前164年(文帝前十六年)，分原齐国地为齐、城阳等7国。今临沂北部地区分属琅琊郡、城阳国。同年，景帝削楚国东海郡。从此，今临沂南部地区属西汉直接统辖的东海郡。
前154年(汉景帝前三年)，景帝收取各王国的支郡，削去诸侯王的特权。此后，西汉的行政区划便成为郡(国)县(侯国)二级制。前106年(汉武帝元封五年)，将全国分为十三部(连同征和四年设置的司隶校尉共为十四部)，州部逐渐演变为一级政区。
公元2年(汉平帝元始二年)，相当于今临沂地区范围的行政区划如下：
徐州刺史部：
1.东海郡：共辖38县，其中在相当于今临沂地区范围的为10县，即：- 郯县：原为古郯国地。秦置县。西汉沿置。治所旧址在今郯城县郯城镇郯城北关。
- 开阳：原为春秋时的启阳邑。汉初置县。后因避景帝刘启讳，改名开阳。莽新称厌虏。治所旧址为今临沂城。
- 临沂：位于今临沂市北部。汉置县。治所旧址在今临沂市白沙埠镇驻地东北6公里的诸葛诚。
- 即丘：即春秋时期的祝丘邑。汉置县，改名即丘。莽新称就信(治所旧址在今临沂市汤河乡故县)。
- 利城：汉置县。莽新称流泉。汉武帝曾封城阳共王之子刘钉为利城侯。治所旧址在今临沭县临沭镇东利城村。
- 襄贲：战国时齐邑，汉初置县。莽新称章信。治所旧址在今苍山县城南的长城镇。
- 兰陵：即春秋时鲁国的次室邑。战国时楚改置兰陵县，西汉沿置。莽新称兰东。治所旧址在今拉美兰陵县兰陵镇。
- 缯：古鄫（《穀梁传》作“缯”）国。汉置县。莽新称缯治。治所旧址在今兰陵县卞庄镇西北16公里处的鄫城。
- 费：春秋时鲁季氏邑。汉初置县。莽新称顺从。治所旧址在今费县费城镇西北古城、毕城一带。
- 南城：原为春秋时鲁国武城邑。战国时属齐，称南城。汉初置县，称南成，为侯国。治所旧址在今平邑县魏庄乡南武城村附近。
2.琅琊郡：秦置郡。西汉沿置。郡治在东武(今诸诚市城关镇东古城子村)，辖51县，在相当今临沂地区范围的县有：- 东莞：西汉置县。治所旧址在今沂水县沂水镇东北徐家荣仁村，即古郓邑。
- 箕：西汉置县。为侯国。治所旧址在今莒县城阳镇北46.5公里大沈庄。
- 魏其：汉初置县。景帝三年封窦婴为魏其侯，称侯国。莽新时改称清泉。治所旧址在今临沂城东南。
- 木卑：西汉置县。莽新时称识命。治所旧址在今莒南县境。
- 高乡：西汉置县。为侯国。治所旧址为今莒南县十字路镇。
- 新山：西汉置县。治所旧址在今莒县刘官庄乡五花营村一带。
兖州刺史部：1.泰山郡：辖24县，其中在相当于今临沂地区范围的有4县，即：- 蒙阴：原为春秋时鲁国蒙邑。西汉置县。莽新时称蒙恩。治所旧址在今蒙阴县蒙阴镇南联城乡城子村。
- 盖：原为春秋时齐国盖邑。汉初置县。治所旧址在今沂源县东里店以西的盖冶村。
- 南武阳：西汉置县。莽新时称桓宣。治所旧址在今平邑县平邑镇北之武阳村。
- 华：原为春秋时鲁国防邑。西汉置县。莽新时称翼阴。治所旧址在今费县费城镇东北古城村。
- 城阳国：汉初为齐国地。前178年（汉文帝前二年）分齐国地立城阳国。莽新时称莒陵。都城为莒(今莒县城)。所辖4县，均在今临沂地区范围内。即：
- 莒：原为春秋莒国地。西汉置县。莽新称莒陵。治所旧址在今莒县城阳镇"莒国古城"。
- 阳都：原为春秋阳国地。西汉置县。治所旧址在今沂南县砖埠镇黄疃村。
- 东安：西汉置县。治所旧址在今沂水县沂水镇南15公里处的姚家店子乡前、后城子和黄崖头3村之间。
- 虑：西汉置县。莽新称著善。治所旧址在今蒙阴县坦埠镇西故县村。
东汉时期的行政区划承袭西汉制度，仍实行郡(国)、县(侯国、邑)二级制，但对郡(国)、县作了某些调整。
涉及相当于今临沂范围的主要是：将城阳国并入琅琊郡；省魏其、木卑、高乡、箕、新山、高阳、蒙阴、虑等县。
140年(汉顺帝永和五年)，相当于今临沂地区范围的行政区划如下：
徐州刺史部：治所在郯县。琅琊国：初为琅琊郡。37年(东汉建武十三年)，省城阳郡入琅琊郡。41年(东汉建武十七年)，光武帝封子刘京为琅琊王，琅琊郡改为琅琊国，建都于莒。59年(东汉永平二年)，泰山郡盖、华、南武阳和东莱郡的昌阳、卢乡、东牟等6县来属。80年(东汉建初五年)，琅琊国以华、盖、南武阳、厚丘、赣榆5县，换取东海郡的开阳、临沂。同年，迁都开阳。216年(东汉建安二十一年)，曹操杀琅琊王刘熙，国除。琅琊国辖13县，其中相当于今临沂地区境内的有9县：- 开阳：西汉置县。原属东海郡，建初五年来属，为琅琊国都城，旧址在今临沂市临沂城。
- 即丘：西汉置县，原属东海郡。东汉改属琅琊，为侯国。
- 阳都：西汉置县，原属城阳国。37年(东汉建武十三年)，随城阳国并入琅琊。
- 东安：西汉置县，原属城阳国。东汉建武十三年，随城阳国并入琅琊。
- 东莞：西汉置县。东汉迁治所，旧址在今沂水县沂水镇。
- 莒：秦置县，西汉属城阳国。37年(光武帝建武十三年)，随城阳国并入琅琊郡。十七年，琅琊郡改为琅琊国，建都于此。
东海郡：辖13县，在相当于今临沂地区范围的有4县：- 郯：周时郯国，秦置县，两汉沿置。为东海郡治所。徐州刺史部亦治此。
兖州刺史部：泰山郡：辖13县，在相当于今临沂地区范围的有5县：- 南城：西汉置，称南成。原属东海郡。东汉改为南城，属泰山郡。
- 费：西汉置县，原属东海郡。东汉改属泰山郡。为侯国。
- 南武阳：西汉置县，东汉为侯国。59年(明帝永平二年)改属琅琊国。80年(章帝建初五年)复属泰山郡。
- 盖：西汉置县。东汉为侯国。59年(明帝永平二年)改属琅琊国。80年(章帝建初五年)复属泰山郡。
- 华：西汉置县。遗址在今费县城东北方城镇东古城村一带。东汉初(公元25年)省华县入费县。延熹五年(公元162年)析费县复置华县。
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