1040 tarihinde Dandanakan savaşında Gaznelilere karşı zafer kazanılmasıyla kurulan Büyük Selçuklu Devleti, Alparslan tarafından Malazgirt Zaferinin (1071) kazanılmasıyla Anadoluya adım atmıştır.
1076 yılında Süleyman Şah'ın İznik'i fethiyle, Büyük Selçuklu Devleti ile bağlantılı Anadolu Selçuklu Devleti kurulmuştur. Süleyman Şah Antakya' ya düzenlediği ilk sefer sırasında Ebul Gazi' yi ( Hasan Bey ki, Hasandağı bu zatın ismi ile anılır.) Kapadokyaya vali tayin eder. Süleyman Şah'ın Bizans hakimiyetindeki Antakya'yı almak istemesiyle ve bunu başaramaması sonucu ölümüyle, Anadolu Selçuklu Devleti bir müddet için bağımsızlığını yitirmişse de daha sonra oğlu I. Kılıçarslan'ın Büyük Selçuklu Devleti Hükümdarı Berkyaruk ile birlikte hareket etmesi, Anadoluya saldıran Haçlı Ordularını yine birlikte hareket ettiği Danişmend Beyi Melik Gümüştekin desteğinde bozguna uğratması sonucu, Aksaray (o zamanki adıyla Archalais) Anadolu Selçukluları egemenliğine girmiştir.
Aksaray bu dönemde aralıklı olarak Danişmendlilerin ve Anadolu Selçuklularının hakimiyeti altına girmiştir. Aksaray'ın en önemli eserlerinden biri olan Ulu Cami, bu dönemde Kılıçarslan' ın oğlu Rükneddin Mesud tarafından yaptırılmış olup, aynı sultan zamanında Aksaray imar yönünden oldukça geliştirilmiştir.
SuItan Mesud, ilk defa para bastıran Anadolu Selçuklu hükümdarıdır. Sultan Mesud'dan sonra hükümdar olan oğlu II. KıIıçarslan, Aksaray şehrini ikinci bir payitaht gibi görmüş, büyük bir imar hamlesi başlatmış, babası tarafından yaptırılan Ulu Camiyi genişletmiş, Ulucaminin abanoz ağacından yapılan muhteşem minberine babasının adı yanına kendi adını da kazdırtmıştır.
II. Kılıçarslan gönlünü bu topraklara kaptırmıştı. Anadolu Birliği onun en büyük rüyasıydı. Bu amaç doğrultusunda Kayseri ve Sivas'ı zaptetti. Aksaraya kale inşa ettirdi. Buraya Azerbaycandan alimler, sanatkarlar, tüccarlar ve mücahitler getirterek yerleştirdi. Sultanhanı'Kasabasında bulunan ve Selçuklu Han örneklerinin en nadidesi olan Aksarayda adına yaptırdığı Kılıçarslan Hamamı bu döneme ait günümüze ulaşan en eski hamam örneğidir.
Aksaray adının da Kılıçarslan tarafından şehre ak taşlar kullanılarak yaptırılan saraydan geldiği muhtemeldir. Bu saray tarihin Archalais'ini Aksaray'a çevirmiştir. Etrafında medrese, kervansaray,hamam, imarethane, tabhane gibi çok ve çeşitli sosyal yardım ve hayır müesseseleri ve irfan yuvaları bulunmaktaydı. Bugün bunlardan hiç biri ayakta değildir.
Eğer Aksaray olmasaydı, Danişmendliler ortadan kalkmaz, Anadoluda Müslüman-Türk birliği kurulamazdı. Anadoluda ulusal bir Türk varlığının kuruluşunda Aksarayın rolü büyüktür.
Aksaray II. Kılıçarslan'ın ölümünden sonra da Anadolu Selçuklularının önem verdiği, çoğu zaman askeri bir üs olarak yararlandığı bir şehir olmaya devam etmiştir.
Selçuklu Sultanlarından Gıyaseddin Keyhüsrev in oğlu Alaaddin Keykubat, Aksarayda dedesi tarafından inşa ettirilen sarayda oturmuştur. Bu dönemde Danişmendlilerden Yağıbasanoğlu Muzafferüddin Mahmut, Alaaddin Keykubat tarafından Aksaray Valisi tayin edilmiştir. Danişmendliler de bu vesileyle Aksaray'a birkaç eser kazandırmışlardır: Muzafferiye Medresesi, Muzafferüddin Melik Mahmut Gazi Hangahı (Darphane), Zahirüddin Hangahı, İmadiyye Hangahı, Bedriye (bugünkü adıyla Kadıoğlu) Medresesi ve Melikiyye Medresesi bunlar arasındadır.
Daha sonra tahta geçen İzzeddin Keykavus döneminde, İslam aleminin büyük alimlerinden Şeyh-ül Ekber Muhiddin-i Arabi Aksaray'a gelerek medreselerde ders vermiştir. Bu dönemde Moğol Hükümdarlarından Baycu Noyan Aksaray da hakimiyeti altına alarak, etrafı yakıp yıkmış, hatta bir kış mevsimini de Sultanhanı civarında geçirmiştir.
İzzeddin Keykavus'un Moğollara vergi vermek istememesi sonucu Moğol Hükümdarı Hülagü Han, İzzeddin Keykavus'un kardeşi Rükneddin Kılıçarslan'ı bir fermanla Sultan ilan etti. Rükneddin Kılıçarslan döneminde Aksaray, sultanın oturduğu ve ülkeyi yönettiği bir şehir yani payitaht konumundadır.
Rükneddin Kılıçarslan yine Anadoludaki karışıklıklar döneminde Moğollarca zehirletilmiş, yerine 6 yaşında olan III. Gıyaseddin Keyhüsrev sultan olmuştur. Daha sonra Anadoludaki iç karışıklık Aksaray'ı da içerisine almış, Moğol Şehzadelerinden Kongurtay tarafından şehir bir defa daha yıkılıp yakılmış ve yağmalanmıştır.
İlhanlılar döneminde Şehzade Keygatu 20.000 kişilik bir ordu ile Aksaray'a yürümüşse de şehre ve sakinlerine oldukça iyi davranmış ve Aksaray bu yıllarda, yani 1285 tarihinden itibaren yeniden gelişme ve güzelleşme yoluna girmiştir.
Bu dönemde Selçuklu hükümdarı Sultan II. Gıyaseddin Mesud'dur. Daha sonra tahta geçen III. Alaaddin Keykubat zamanında Aksaray'a Pervane Müniddin Muhammed Bey kadı olarak görevlendirilmiştir.
Aksaray bu dönem içerisinde zaman zaman Moğollar tarafından işgale uğramış, zaman zaman Selçuklu egemenliğine girmiş, her hükümdar büyük zulüm yaşamıştır. Ticaret yolu üzerinde olması, yaşadığı bütün eziyetlere rağmen Aksaray'ın varlığını sürdürmesine vesile olmuş, Anadolunun önemli yerleşim noktalarından biri olarak hayatiyetini sürdürmüştür. Zaten bu dönem Sultan II. Mesud'un 1308'de ölümü ile Selçuklu Devleti varlığının da sona erdiği dönem olup, Anadolu Beylikleri Dönemi başlamıştır.