Po upadku Rzeczypospolitej Szlacheckiej w wyniku klęski insurekcji kościuszkowskiej (u jego schyłku miała miejsce rzeź ludności praskiej przez wojska rosyjskie) oraz III rozbioru w 1795 roku, Warszawę wcielono do Królestwa Prus. Oswobodzona przez wojska Napoleona w 1806 roku, stała się siedzibą Księstwa Warszawskiego. Podczas kongresu wiedeńskiego w 1815 roku obrano Warszawę jako stolicę Królestwa Kongresowego zależnego od cesarza rosyjskiego. W tym okresie powstały Aleje Jerozolimskie. W architekturze i sztuce dominował klasycyzm. Wzniesiono m.in. Teatr Wielki, Pałac Staszica i Belweder. W 1816 roku, dekretem cara Aleksandra I, powołany został Uniwersytet Warszawski z 5 wydziałami – teologii, prawa, medycyny, filozofii, nauki i sztuk pięknych. W mieście działały organizacje patriotyczne (m.in. Związek Wolnych Polaków, Towarzystwo Patriotyczne) i konspiracja przeciw zaborcy, który częstokroć łamał konstytucję.
Patriotyczne środowiska warszawskie przygotowały powstania narodowowyzwoleńcze: 29 listopada 1830 wybuchło powstanie listopadowe, a w okresie 1863–1864 trwało powstanie styczniowe. W czasie powstania listopadowego 1830 Warszawa była siedzibą władz powstańczych (Rząd Tymczasowy). W 1831 wokół Warszawy miały miejsce nierozstrzygnięte i zwycięskie przez powstańców bitwy (m.in. pod Olszynką Grochowską, Wawrem, Białołęką) jednakże (m.in. po ataku na Wolę) powstanie zostało stłumione przez Rosjan wspartych posiłkami z Prus.
W okresie powstania styczniowego 23 stycznia 1863 roku Warszawa była siedzibą powstańczego Rządu Narodowego. Po upadku powstania zniesiono Sejm, wojsko polskie i konstytucję, konfiskowano dobra, więziono, zsyłano na Sybir, zamknięto Uniwersytet i Towarzystwo Przyjaciół Nauk, zaprowadzono stan wojenny. Warszawa stała się do 1905 roku twierdzą. Represjom towarzyszyła rusyfikacja. W Warszawie powstało kilka cerkwi w tym największy Sobór św. Aleksandra na placu Saskim (współczesna nazwa: plac Marszałka Józefa Piłsudskiego). Jednocześnie rozbudowywano infrastrukturę. Warszawa stała się ważnym węzłem kolejowym łączącym Kolej Warszawsko-Wiedeńską (budowa w latach 1845–1848) Kolej Warszawsko-Petersburską (oddano do użytku w roku 1862) Warszawsko-Terespolską (od 1867 r.) oraz Kolej Nadwiślańską (od 1877 r.). Ponadto wybudowano także kolej obwodową i wąskotorową (do Piaseczna). Nad Wisłą powstało kilka nowych mostów w tym Most Kierbedzia. W Od 1856 zaczęto na szerszą skalę stosować oświetlenie gazowe, w miejsce wcześniej stosowanych lamp olejowych. Dostawy gazu zapewniała wybudowana w tym samym roku Gazownia Warszawska. W 1881 uruchomiono pierwszą centralę telefoniczną. W 1881 za sprawą prezydenta miasta Sokratesa Starynkiewicza przystąpiono do budowy nowoczesnych wodociągów i kanalizacji według projektu Williama Lindleya. Od 1885 zaczęto instalować ogrzewanie wodne mieszkań i innych pomieszczeń. Wcześniej, w 1862 roku powstało Muzeum Narodowe. W 1897 roku Warszawa liczyła 626 tys. mieszkańców i była największym po Petersburgu i Moskwie miastem w obrębie Cesarstwa Rosyjskiego. Rozwój sportu w stolicy zaowocował założeniem w 1911 roku Polonii, a pięć lat później Legii.
Podczas I wojny światowej od 4 sierpnia 1915 do 1918 roku Warszawa znalazła się pod okupacją niemiecką. 11 listopada 1918 Rada Regencyjna przekazała Józefowi Piłsudskiemu władzę wojskową w Warszawie (14 listopada 1918 również pełnię władz cywilnych w stolicy) i naczelne dowództwo sił zbrojnych. W konsekwencji Warszawa stała się stolicą II Rzeczypospolitej. W okresie 13–26 sierpnia 1920, w czasie trwającej wówczas wojny polsko-bolszewickiej (mającej na celu m.in. podporządkowanie Polski ZSRR i ekspansję komunizmu na Zachód), na przedpolach Warszawy i okolicznych terenach rozegrała się bitwa warszawska. Punktem zwrotnym walk była bitwa pod Radzyminem, po której kontrofensywa Piłsudskiego zadecydowała o zwycięstwie.
W okresie międzywojennym Warszawa stała się wielką metropolią, w roku 1939 liczyła 1 mln 350 tys. mieszkańców. Miała wówczas miejsce silna urbanizacja miasta, którą kierował prezydent miasta Stefan Starzyński; m.in. budowa ponad 100 tys. mieszkań z infrastrukturą (osiedla na Żoliborzu, Saskiej Kępie, Mokotowie), oddanie do użytku – Muzeum Narodowego, renowacja Pałacu Blanka, Arsenału, Pałacu Brühla, odkrycie średniowiecznych murów Warszawy, założenie muzeum na Zamku Warszawskim i Muzeum Piłsudskiego w Belwederze, rozwój infrastruktury (rozbudowa komunikacji miejskiej, budowa lotniska na Okęciu, przygotowanie projektu budowy mostu Piłsudskiego i sieci metra, modernizacja tras wylotowych Warszawy, modernizacja siedmiu szpitali). Ponadto założono wiele parków (m.in. park Sowińskiego, park Dreszera, Zieleniec Wielkopolski, Skarpa na Dynasach).
