هر چند آتش آذرگشسب پس از شکست جنگ آورانش تا اوایل سده ی دهم میلادی هم چنان پابرجا و مورد احترام بود ولی تخت سلیمان با سقوط ساسانیان اهمیت خود را از دست داد. عباسیان در کنار آتشکده یک محوطه ی مسکونی قدرتمند ایجاد کردند و به تدریج به تک تک بناهای آتشکده نیز رسوخ کردند. کاشی هایی از حکومت های مختلف پس از اسلام بر روی تخت به دست آمده است. این محوطه ی مسکونی چنان مستحکم بوده که در زمان سلجوقیان کاشی هایی را در این مکان می ساختند. همچنین از دوران سلجوقی نشانه های مهاجرت شدید ترکان به این محل به دست آمده است. در زمان ایلخانیان این مکان «ستوریق» نامیده می شد و در سال 1270 میلادی به دستور ایلخان آباقاخان که مقرش در مراغه بود سکنه ی تخت سلیمان رانده شدند و تخت سلیمان تبدیل به اقامتگاه تابستانی ایلخان و محل کاخ شکار او شد. در آن زمان هنوز بخشی از بناهای دوران ساسانی وجود داشت و با وجود تخریب زیاد آن چنان در خور توجه بودند که مالکان جدید این سرزمین تأسیسات خود را در موارد بسیاری کاملاً منطبق بر معماری پیشین ساختند. در این دوره درب اصلی در جنوب تخت سلیمان بود و فرد پس از گذشتن از دو میان سرای، که احتمالاً محل زین کردن اسب ها بوده به ایوان جنوب دریاچه که به عنوان سرسرای ورودی استفاده می شد، می رسید. هر دو سوی ایوان جنوبی متّصل به رواق های ساده ای بود. در غرب دریاچه در پشت رواق ها ردیفی از اتاق های عریض قرار داشتند که نخستین آنها یک بنای چهار ایوانی بود؛ یک میان سرای چهارگوش که در هر سمت آن یک ایوان و در گوشه هایش اتاق های جانبی قرار داشته است. چهار ایوانی که مؤثر از معماری سلجوقی است شکل کلی بناهای ساخته شده در آن دوران بر روی تخت است.

دیوارهای چهارایوانی تخت سلیمان، بیشتر به گچ کاری و کاشی کاری مزیّن بوده و کف آنها سنگفرش شده است. جالب ترین بنای غرب دریاچه، بنایی 12 گوش با سقفی گنبدی شکل است که تنها راه ورودی آن سمت جنوب و از داخل یک راهرو بوده است. این بنا احتمالاً حرم سرای ایلخان مسیحی بوده که از طریق رواق ها به ایوان غربی راه داشته است. ایوان غربی ایلخانی در گوشه شمال غربی دریاچه بر روی ایوان غربی ساسانی بنا شده است، اما این بار بسیار مرتفع تر با سه تاق بر بالای هم.
این مکان محل سکونت ایلخان بوده است. در دو طرف ایوان مکان هایی جهت نشستن ایلخان تعبیه شده که در آن قسمت ها کاشی های زرین فام با نقش اژدها و سیمرغ در رنگ های آبی و فیروزه ای دیده می شود.
در پشت ایوان تالار پهنی با سقفی از چوب بوده که از راه درهای کناری می توان به دو اتاق هشت گوش وارد شد. اتاق هشت گوش شمالی با کاشی کف پوش شده و در دور تا دور دیوارهای اتاق، نشیمن گاه هایی قرار داشته است. نشیمن گاه ها با کاشی تزیین و در بالای آنها گچ بری هایی منقوش، قرار داشته و احتمالاً اتاق نشیمن ایلخان بوده است.
در اتاق هشت گوش جنوبی، با استفاده از دیوارها و درهای داخلی اتاق های کوچکی ساخته که احتمالاً اتاق خواب بودند. تزئینات این اتاق بسیار پرمعنا و حتی در گچ کاری ها از اشعار فارسی استفاده شده است.
سمت جنوبی ایوان پلکان مارپیچی بوده که با استفاده از آن به طبقه دوم کاخ می رفتند. طبقه ی دوم از دو سمت به سوی دریاچه تخت سلیمان باز می شده و محل مطلوب بادخیزی را برای نشستن عرضه می کرده است. در پشت بناهای غرب دریاچه، به صورتی کاملاً مجزا یک بنای چهارگوش با سقفی گنبدی از چوب قرار داشته که مورد استفاده این بنا معلوم نیست.
از بناهای شمال دریاچه تخت سلیمان در دوران ساسانی تنها اتاق آتشگاه باقی مانده اما با این وجود می توان گفت که معماری بناهای این قسمت زیر تاثیر بسیار معماری ساسانی بوده است. اتاق آتشگاه در این زمان با استفاده از تاق های بر روی هم تبدیل به بنایی دو طبقه شده، که طبقه ی بالایی آن احتمالاً تالار رسمی بارعام بوده و پلکان اصلی آن در محور ایوان قرار گرفته بوده است.
فضای داخل ایوان متصل به تالار بارعام با استفاده از سقفی چوبین، هم سطح با سقف طبقه ی نخست قرار گرفته و از اتاق پشت آن، محل دلباز بلندی مشرف بر دریاچه تخت سلیمان ایجاد شده است. به دو طرف ایوان رواق هایی متصل بوده و پشت رواق های شرقی بنایی به همان شکل بناهای تخت سلیمان وجود دارد.
درشرق ایوان شمالی یک آرامگاه مربوط به پیش از دوره ایلخان قرار دارد. به جز تاسیسات گفته شده در شمال شرقی آتشکده، کارگاه های پخت سفال قرار داشتند که قسمت اعظم کاشی های استفاده شده در بناها و ظروف سفالی بدون لعاب را تولید می کردند. در کارگاه ها انواع مختلف اجاق و کوره وجود داشته یک نوع خاص کوره که نمونه هایی از آن در این جا به دست آمده کوره ای است که بین مخزن آتش و مخزن پخت آن دریچه معمول برای انتقال حرارت وجود نداشته بلکه حرارت از مخزن آتش به وسیله پنج دهانه ی تاقدار به کانال دایره شکلی هدایت می شده و از آنجا به مخزن پخت جریان می یافته. بدین ترتیب سفالینه های نقاشی شده با دود تماس پیدا نمی کردند. در مخزن پخت با استفاده از استوانه هایی از گل رُس طبقاتی برای چیدن ظروف آماده برای پخت ایجاد شده است.
پس از مرگ آباقاخان، بناهاى کاخ شکار مجموعه تخریب و بلافاصله در اواخر همان دوره در اطراف دروازه شمالى تخت سلیمان شهرکى با بناهاى عام المنفعه همچون بازار، مسجد، حمام، کارگاه هاى صنعتى و حتی تعدادى منازل مسکونى و در قسمت بیرونى نیز قبرستان ساکنان شهرک مذکور شکل گرفت. پس از صفویه این مکان خالی از سکنه می شود و اهالی بومی که اطلاعی از تاریخ آن نداشتند به تصور آن که این شکوه و جلال تنها می تواند متعلق به حضرت سلیمان باشد نام تخت سلیمان را بر روی آن نهادند و خود را موظف به حفاظت و مراقبت از این جایگاه مقدس کردند.