Wiele kościołów zostało przebudowanych na cerkwie prawosławne. W 1845 r. rozpoczęto budowę pierwszej linii kolejowej z Warszawy do Wiednia. W 1851 r. zniesiona została granica celna z Rosją, co spowodowało duże ożywienie gospodarcze w przemyśle. W 1856 r. uruchomiona została gazownia (przy ul. Ludnej) umożliwiająca gazowe oświetlenie ulic. W 1860 r. Warszawa liczyła 230000 mieszkańców. W 1862 r. powołana została Warszawska Szkoła Główna (przekształcona później w Uniwersytet Warszawski).
W 1863 r. wybuchło powstanie styczniowe, a Warszawa została siedzibą tajnego Rządu Narodowego. Po upadku powstania Królestwo Polskie wcielono do Rosji, likwidując jego autonomię. Nastąpił wtedy okres intensywnej rusyfikacji nauki, kultury i oświaty. Jednak dzięki korzystnemu położeniu, miasto odgrywało dalej ważną rolę jako ośrodek handlowy i stało się jednym z ważniejszych ośrodków gospodarczych Rosji. W 1866 r. w mieście uruchomiono pierwsze tramwaje konne. W latach 1862-77 uruchomione zostały linie kolejowe wychodzące z Warszawy – petersburska (1862), terespolska (1866) i nadwiślańska (1877). W latach 1875-93 gubernatorem Warszawy był gen. Sokrates Staryn-kiewicz. Dzięki jego staraniom w mieście zbudowano nowe ulice, sieć wodociągów ze stacją filtrów, kanalizację oraz założono pierwsze telefony. W 1878 r. Rosjanie rozpoczęli budowę pierścienia fortów wokół lewobrzeżnej Warszawy oraz łączących brukowanych dróg fortecznych (częściowo zachowanych). W 1890 r. liczba mieszkańców Warszawy wynosiła 465000.
Na przełomie XIX i XX w. w mieście wybudowano wiele nowych gmachów (Zachęta, Filharmonia, Politechnika). W 1902 r. na Powiślu uruchomiona została elektrownia. Po strajkach i demonstracjach w 1905 r. uzyskano pewne ustępstwa narodowe – powstało kilkadziesiąt polskich szkół, powołano wiele organizacji społecznych i naukowych. W 1908 r. uruchomione zostały pierwsze tramwaje elektryczne. W 1914 r. Warszawa liczyła ok. 885 000 mieszkańców.
Po wybuchu I wojny światowej z Warszawy wycofali się Rosjanie, a w ich miejsce wkroczyli Niemcy. 9 listopada 1918 r. wojska niemieckie zostały rozbrojone przez oddziały Polskiej Organizacji Wojskowej, a dwa dni później Warszawa stała się stolicą niepodległej Polski. W sierpniu 1920 r. na wsch. przedpolu Warszawy miały miejsce zacięte boje z wojskami bolszewickimi.
W okresie międzywojennym nastąpił rozwój budownictwa mieszkaniowego, zwłaszcza na terenach niedawno przyłączonych do Warszawy (kolonie mieszkaniowe na Mokotowie, Woli i Pradze). W latach 1923-29 wzdłuż Alei Jerozolimskich zbudowano tunel linii kolejowej. W 1923 r. na Polu Mokotowskim uruchomiono pierwsze w Warszawie lotnisko (przeniesione w 1933 r. na Okęcie). W 1925 r. uruchomiono Polskie Radio.