Το 1082, τα Ιωάννινα καταλαμβάνονται από τον Βοημούνδο, γιο του Ροβέρτου Γυισκάδου.Το 1185, πιθανολογείται καταστροφή των Ιωαννίνων από το Νορμανδικό πεζικό, υπό την αρχηγία του Γουλιέλμου Β', βασιλιά της Σικελίας.
Το 1204, τα Ιωάννινα καταλαμβάνονται από τον Μιχαήλ Άγγελο Κομνηνό, ο οποίος εγκαθιδρύει έτσι τη δυναστεία των δεσποτών της Ηπείρου, με πρωτεύουσα την Άρτα.
Έκτοτε τα Ιωάννινα θ' ακολουθήσουν τις ιστορικές εξελίξεις του καλούμενου Δεσποτάτου της Ηπείρου, το οποίο, εκτεινόμενο από το Δυρράχιο μέχρι τη Ναύπακτο, θα διαδραματίσει ρόλο προπυργίου του βυζαντινού φεουδαρχισμού,στις αλλεπάλληλες επιδρομές των Φράγκων, Βενετών, Αλβανών και Σέρβων.
Επί των ημερών του Μιχαήλ Α' του Αγγέλου τα Ιωάννινα φέρονται ν' αναπτύσσονται και να ευημερούν. Σύμφωνα με ιστορικές πηγές, κατά την περίοδο αυτή, συγκεντρώνονται στα Ιωάννινα επίσημοι και λόγιοι πρόσφυγες από την Κωνσταντινούπολη, μετά την κατάληψη αυτής, από τους Φράγκους. Επίσης, κατά την περίοδο αυτή περί το 1206, σημειώνεται ανακαίνιση των τειχών του φρουρίου και ίδρυση στο μικρό νησί της λίμνης Παμβώτιδας, στη Μονή Σπανού,της Σχολής Φιλανθρωπινών και στην αρχαιότατη Μονή του Αγίου Νικολάου Στρατηγοπούλου, της ομώνυμης Σχολής.
Οι δύο μονές θα αποτελέσουν αργότερα τον πυρήνα της μεγάλης καλλιτεχνικής ανάπτυξης που γνώρισε το Νησί, κυρίως κατά τον 16 αιώνα.
Το 1265, τα Ιωάννινα παραχωρούνται από τον Νικηφόρο Α' Άγγελο Κομνηνό, στον αυτοκράτορα Νίκαιας, Μιχαήλ Η' Παλαιολόγου, το 1282, τα Ιωάννινα επανέρχονται στο Δεσποτάτο της Ηπείρου, υπό την εξουσία του Νικηφόρου Α' του Αγγέλου Κομνηνού. Κατά την περίοδο αυτή, σημειώνεται και η μεταφορά της έδρας του εκκλησιαστικού πρωθιερέα του Δεσποτάτου στα Ιωάννινα, η επισκοπή των οποίων φαίνεται να αναβαθμίζεται σε μητρόπολη, λόγω της ίδρυσης στην Ναύπακτο καθολικής αρχιεπισκοπής, με την παραχώρηση της πόλης στον Φίλιππο Ταραντίνο.
Το 1296, με τον θάνατο του Νικηφόρου Α' Αγγέλου Κομνηνών, αναλαμβάνει την εξουσία των Ιωαννίνων και της Ηπείρου, η χήρα του Άννα ως επίτροπος του γιου τους Θωμά Α'. Κατά την επιτροπεία της, επιτυγχάνεται η υποστήριξη των Βυζαντινών προς αποφυγή των πιέσεων των Ανδεγαυών. Έτσι, στέλνεται στα Ιωάννινα, αυτοκρατορικός στρατός, υπό τον Ιωάννη Λάσκαρη, ο οποίος στη συνέχεια κηδεμονεύει το Δεσποτάτο, σύμφωνα με τις θελήσεις του αυτοκράτορα του Ανδρόνικου Β'.
Το 1318, με τη δολοφονία του Θωμά Α', τελευταίου της δυναστείας των δεσποτών της Ηπείρου, Αγγέλων Κομνηνών, τα Ιωάννινα συγκεντρώνουν την προσοχή και τις βλέψεις των Βυζαντινών, των Ανδεγαυών και των Σέρβων. Τελικά, τα Ιωάννινα υποτάσσονται στο Βυζάντιο, ύστερα από την επέμβαση του Ιωάννη Συργιάννη από το Βεράτιο, ο οποίος έπεισε τους Ιωαννίτες, να υποταχθούν στον Ανδρόνικο Β', ώστε να αποκτήσουν την ευμένειά του. Σ' αυτή τη συμφωνία υποταγής, οφείλονται τα δύο χρυσόβουλα (1319 και 1321) του Ανδρόνικου Β', τα οποία είναι πολύ αποκαλυπτικά για την ιστορία των Ιωαννίνων και για την εξέλιξη των φεουδαλικών σχέσεων. Κατά τη περίοδο της Βυζαντινής κυριαρχίας, στα Ιωάννινα , την εξουσία ανέλαβαν διαδοχικά, ο Νικόλαος Ορσίνη, επονομασθείς Ιωάννης Β' Κομνηνός Αγγελοδούκας, η σύζυγός του Άννα Παλαιολογίνα, ως επίτροπος του γιου τους Νικηφόρου Β' και τέλος ο Ιωάννης 'Αγγελος.
Το 1339 η βυζαντινή κυριαρχία στα Ιωάννινα, διακόπτεται από την κατάληψή τους από τους Σέρβους. Τα Ιωάννινα, το 1367, αποδέχονται ως ηγεμόνα τους τον Θωμά Πρελούμπο ή Πρελούμποβιτς, του οποίου η εξουσία αναδείχθηκε άκρως τυραννική, αφού κατεδίωξε άγρια και φορολόγισε τους Ιωαννίτες, εξόρισε τον μητροπολίτη τους και δήμευσε την εκκλησιαστική περιουσία, την οποία λέγεται ότι μοίρασε στους Σέρβους οπαδούς του.
Έναντι αυτού του στυγνού καθεστώτος, οι Αλβανοί Ιωαννίτες φέρονται, κατά μια πληροφορία, ότι ζήτησαν προστασία από τους κυριαρχούντες στην Ήπειρο, Αλβανούς φυλάρχους. Έτσι, αρχίζουν οι αλβανικές επιδρομές κατά των Ιωαννιτών, οι οποίες οδήγησαν το δεσπότη Θωμά , το 1375, σε επισκευή και ανακαίνιση του φρουρίου των Ιωαννίνων.
Το 1384, λήγει η τυραννική δεσποτεία του Θωμά Πρελούμποβιτς και αναλαμβάνει την εξουσία της πόλης η χήρα του, Μαρία Αγγελίνα Παλαιολογίνα. Το 1386, έναντι της απειλής των Αλβανών φυλάρχων, αναγνωρίζεται δεσπότης της πόλης των Ιωαννιτών ο Μπουοντελμόντι, ο οποίος επαναφέρει τη μητρόπολη στην έδρα της και εφαρμόζει συνετή διοίκηση απέναντι στους κατοίκους. Όμως ο Μπουοντελμόντι, πιεζόμενος από τις συνεχείς αλβανικές επιδρομές και πολιορκούμενος από τον Σπάτα, αναγκάζεται να ζητήσει την προστασία του σουλτάνου Μουράτ Α', οπότε και σημειώνεται η πρώτη παρουσία τούρκικων δυνάμεων στα Ιωάννινα.
Με τον θάνατο του Μπουοντελμόντι, κατά το 1408/9, την εξουσία αναλαμβάνει ο Κάρολος Α' Τόκκος, δούκας της Κεφαλληνίας, ο οποίος αφού την χάσει από τον Μπουά Σπάτα, την ανακαταλαμβάνει το 1417/8 και τη διατηρεί μέχρι και το θάνατό του, το 1429.Ο Κάρολος Α' Τόκκος αναπτύσσει τα Ιωάννινα οικονομικά και πνευματικά και ισχυροποιεί το δεσποτάτο.Τον Κάρολο Α' διαδέχεται ο Κάρολος Β' Τόκκος