Năm 1805, Gia Long ra lệnh xóa bỏ Hoàng thành cũ, xây dựng một tòa thành mới theo kiểu vauban của Pháp, có quy mô nhỏ hơn, chu vi khoảng bốn km, dày khoảng 16m, mở năm cửa: bắc, đông, tây, nam và tây nam. Thăng Long thời Nguyễn gần tương ứng với ô vuông mà bốn cạnh là đường Phan Ðình Phùng, đường Trần Phú, đường Lý Nam Ðế và đường Hùng Vương.
Năm 1831, Minh Mạng cải cách bộ máy hành chính, bỏ các trấn, chia cả nước thành 31 tỉnh. Thăng Long thành tỉnh Hà Nội, bao gồm thành Thăng Long, huyện Từ Liêm của trấn Sơn Tây và ba phủ Ứng Hòa, Thường Tín, Lý Nhân của trấn Sơn Nam, đổi tên huyện Quảng Ðức thành huyện Vĩnh Thuận. Tỉnh Hà Nội thời Minh Mạng ở giữa hai dòng sông là sông Hồng và sông Ðáy. Tỉnh lỵ là phủ Hoài Ðức (thành Thăng Long cũ). Hà Nội giai đoạn này chia thành nhiều phường nhỏ và thôn, trại. Huyện Thọ Xương có 116 phường, thôn, trại. Huyện Vĩnh Thuận có 27 phường, thôn, trại.
Nửa đầu thế kỷ 19 kinh tế của Hà Nội phát triển không đồng đều. Khu vực phía tây và nam có xu hướng nông thôn hóa, chuyên về nghề nông có kết hợp với thủ công nghiệp. Phía đông và đông nam có xu hướng đô thị hóa nhanh. Chợ búa, phố phường khá tấp nập, nhất là khu vực quanh hồ Hoàn Kiếm. Khi nhà Nguyễn dời Quốc Tử Giám vào Huế, đã cho xây thêm Khuê Văn Các, xây tường bao quanh, dựng thêm hai nhà Tả Vu và Hữu Vu ở Văn Miếu của Thăng Long. Năm 1865, Nguyễn Văn Siêu đứng ra sửa lại đền Ngọc Sơn, đình Trấn Ba, cầu Thê Húc, đài Nghiên, tháp Bút để biểu dương truyền thống văn hiến của Thăng Long - Hà Nội. Giai đoạn này, Thăng Long - Hà Nội tụ hội nhiều nhà văn hóa danh tiếng như: Nguyễn Văn Siêu, Cao Bá Quát, Vũ Tông Phan, Bà Huyện Thanh Quan, Nguyễn Án, Phạm Ðình Hổ...
Năm 1858, thực dân Pháp xâm lược nước ta. Chúng tiến công Hà Nội hai lần, vào các năm 1873 và 1882. Nhân dân Hà Nội đã cùng với nhân dân cả nước đứng lên bảo vệ Tổ quốc. Các dấu tích các cuộc tiến công của Pháp vào Hoàng thành hiện vẫn còn. Cửa ô Thanh Hà sau này được đặt tên là Ô Quan Chưởng để ghi nhớ chiến tích thà hy sinh tất cả, quyết không cho địch vào thành. Thời kỳ này còn ghi lại hai chiến công của quân dân Hà Nội đã mưu trí tiêu diệt đội quân xâm lược Pháp do hai viên sĩ quan là Gác-ni-ê và Ri-vi-e chỉ huy ở Cầu Giấy vào năm 1873, 1883. Ðây chính là các biểu tượng cho tinh thần chiến đấu ngoan cường trước giặc ngoại xâm của quân dân Hà Nội. Hai tấm gương trung dũng, lẫm liệt "sống chết với Thành Hà" của Kinh lược sứ Nguyễn Tri Phương (1802-1873) và Tổng đốc Hoàng Diệu (1821-1882) sống mãi với Thủ đô.
Tháng 7-1888, Tổng thống Pháp ra sắc lệnh lập thành phố Hà Nội, đứng đầu là viên Ðốc lý. Thời kỳ này, Hà Nội ở giữa ba dòng sông là sông Hồng, sông Kim Ngưu, sông Tô Lịch. Người Pháp phá dỡ nhiều công trình kiến trúc cũ, xây dựng các tòa nhà kiểu Pháp. Hầu hết các công ty lớn của tư bản Pháp đều đặt trụ sở chính tại Hà Nội, như các công ty luyện kim và mỏ Ðông Dương (1899), bông vải sợi Bắc Kỳ, điện, nước Ðông Dương (1900). Cầu Ðume (cầu Long Biên) bắc qua sông Hồng khánh thành năm 1902. Thành cổ Hà Nội bị phá để xây các khu trại lính. Ðặc biệt, chúng đã phá hủy Ðiện Kính Thiên, chỉ còn lại nền điện và thềm đá khắc đôi rồng, thay vào đó là Nhà con rồng hai tầng làm Sở chỉ huy pháo binh của Pháp. Rồi nhiều khu phố kiểu Pháp (vẫn quen gọi là "khu phố Tây") đã hình thành, chủ yếu ở các tuyến nay là đường hoặc phố như Ðinh Tiên Hoàng, Lê Thái Tổ, Ngô Quyền, Lý Thái Tổ, Tràng Tiền, Hai Bà Trưng, Trần Hưng Ðạo, Lý Thường Kiệt, Phan Ðình Phùng... Chính quyền đô hộ xây dựng một số công trình kiến trúc mang phong cách châu Âu để phục vụ cho việc cai trị và hoạt động của bộ máy thực dân như: Phủ Toàn quyền, Phủ Thống sứ, Nhà hát lớn, Nhà thờ lớn, Ngân hàng Quốc gia, nhà Bưu điện, Trường Viễn Ðông Bác Cổ, ga Hà Nội.
Vào thời kỳ này, tình trạng bóc lột giai cấp, bóc lột thuộc địa của thực dân Pháp ngày càng trở nên trầm trọng trong cuộc sống của người Việt Nam ở đô thị. Chính vì thế, đội ngũ công nhân của Hà Nội đã bắt đầu hình thành và phát triển, trong đó có một số lượng công nhân có trình độ kỹ thuật và có ý thức giác ngộ cách mạng. Họ trở thành hạt nhân, làm nên cơ sở để đội ngũ công nhân phát triển, trưởng thành về chất lượng và số lượng, từng bước trở thành một lực lượng chính trị quan trọng trong sự nghiệp cách mạng của dân tộc.
