Năm 1873, Pháp bắt đầu tiến đánh Hà Nội, sau 10 năm thì chiếm toàn bộ Hà Nội. Năm 1887, Hà Nội được chọn làm thủ phủ của liên bang Đông Dương thuộc Pháp.
Năm 1901, thành cổ Hà Nội bị phá đi hoàn toàn để xây dựng trụ sở pháo binh, trại lính và một số cơ sở phục vụ quân đội Pháp. Quy hoạch Hà Nội được kiến trúc sư người Pháp Enst Hebrad lập, với ba sáu phố phường, mang rõ dấu ấn của một quy hoạch đô thị khá hiện đại ở những năm đầu của thế kỷ 20.
Những toà thành ở Hà Nội đã hoàn toàn biến mất, thay vào đó là các con phố được quy hoạch ngang, dọc hình bàn cờ, có cả không gian công cộng, cầu Long Biên được xây dựng. Thăng Long chuyển từ thành thị phương Đông sang sang một đô thị thuộc địa được quy hoạch và xây dựng theo kiểu Châu Âu. Đến năm 1928, Thành phố Hà Nội đã mở rộng đáng kể, hồ Hoàn Kiếm trước kia là biên giới phía Nam của thành phố lúc này nằm ở trung tâm của đô thị, tạo nên ranh giới giữa khu phố cổ và những
Bản đồ Hà Nội năm 1911, do người Pháp xuất bản
Năm 1940, Hà Nội bị phát xít Nhật xâm chiếm, đến năm 1945 thì được giải phóng và là nơi đặt các cơ quan của Chính phủ Việt Nam cộng hoà. Ngày 2/9/1945, tại vườn hoa Ba Đình, Bác Hồ đã đọc bản Tuyên ngôn độc lập trước quốc dân đồng bào, tuyên bố trước thế giới Việt Nam độc lập. Đây là một mốc son chói lọi trên con đường dài đấu tranh dựng nước và giữ nước suốt mấy nghìn năm của dân tộc Việt Nam. Ngày 9/11/1946, Hiến pháp nước Việt Nam dân chủ cộng hoà được Quốc hội thông qua, tại Điều thứ 3 của Hiến pháp quy định Thủ đô đặt ở Hà Nội.
Cách mạng tháng Tám thắng lợi nhưng thực dân Pháp hiếu chiến vẫn không từ bỏ âm mưu xâm lược nước ta một lần nữa. Từ năm 1946 đến năm 1954, Hà Nội là chiến địa ác liệt giữa Việt Minh và quân đội Pháp. Với chiến thắng Điện Biên Phủ, nhân dân Việt Nam đã đánh bại đế quốc Pháp, Hiệp định Giơnevơ năm 1954 được ký kết, công nhận độc lập, chủ quyền, thống nhất và toàn vẹn lãnh thổ của nước ta.
Sau kháng chiến chống thực dân Pháp, quy hoạch của Thành phố được giữ hầu như khá nguyên vẹn, tuy nhiên, các công trình kiến trúc đều bị tàn phá gần hết. Hà Nội bắt tay vào thời kỳ khôi phục và phát triển kinh tế, văn hoá.
Năm 1965, đế quốc Mỹ tiến hành cuộc chiến tranh phá hoại miền Bắc Việt Nam, giữa năm 1966, Mỹ thực sự đánh vào Hà Nội, nhiều khu phố, trường học, bệnh viện, khu công nghiệp đã bị bom Mỹ san phẳng, thành phố bị thiệt hại nặng nề. Quân dân thủ đô Hà Nội đã anh dũng chiến đấu, dành chiến thắng và giải phóng Hà Nội.