国家中心城市是中国城镇体系规划设置的最高层级，最早在2005年由原中华人民共和国建设部（现住房和城乡建设部）依据《城市规划法》编制全国城镇体系规划时提出。
在2007年，由原建设部上报国务院的《全国城镇体系规划（2006—2020年）》中指出：国家中心城市是全国城镇体系的核心城市，在我国的金融、管理、文化和交通等方面都发挥着重要的中心和枢纽作用，在推动国际经济发展和文化交流方面也发挥着重要的门户作用。国家中心城市应当具有全国范围的中心性和一定区域的国际性两大基本特征。
根据中华人民共和国国家发展和改革委员会的定义，国家中心城市是指居于国家战略要津、肩负国家使命、引领区域发展、参与国际竞争、代表国家形象的现代化大都市。在资源环境承载条件和经济发展基础较好的地区规划建设国家中心城市，既是引领全国新型城镇化建设的重要抓手，也是完善对外开放区域布局的重要举措。
国家中心城市是在直辖市和省会城市层级之上出现的新的“塔尖”，集中了中国和中国城市在空间、人口、资源和政策上的主要优势。于2010年2月，住房和城乡建设部发布的《全国城镇体系规划（2010—2020年）》明确提出五大国家中心城市（北京、天津、上海、广州、重庆）的规划和定位；2016年5月至2018年2月，国家发展和改革委员会及住房和城乡建设部先后发函支持成都、武汉、郑州、西安建设国家中心城市。
