Konstytucja Polskiej Rzeczypospolitej Ludowej z 1952 w art. 90 jako pierwsza określiła Warszawę jako stolicę Polski. Warszawa stała się głównym centrum administracyjnym i politycznym kraju.
Odbudowano historyczne Stare i Nowe Miasto, Trakt Królewski oraz wiele obiektów zabytkowych. W pozostałych przypadkach budowano w duchu modernizmu i socrealizmu, czego przykładem jest Pałac Kultury i Nauki. Do 1949 m.in. odbudowano mosty kolejowe i drogowe i zbudowano Trasę W-Z. W lipcu 1949 prezydent Bolesław Bierut plac sześcioletni odbudowy Warszawy. W maju 1955 w Pałacu Rady Ministrów (obecnie Pałac Prezydencki) został podpisany Układ Warszawski.
W kolejnych latach Warszawa otrzymała sieć nowych arterii komunikacyjnych (m.in. Wisłostradę, Trasę Łazienkowską, Trasę Toruńską), wzniesiono Dworzec Centralny. Nastąpiła silna industrializacja (m.in. przemysł samochodowy, metalurgiczny, elektroniczny, farmaceutyczny, budowlany, odzieżowy, spożywczy) i urbanizacja (osiedla mieszkaniowe m.in. Bródno, Jelonki, Tarchomin, Targówek, Ursynów).
Przez cały okres PRL-u w Warszawie kształtował się ruch opozycyjny. Rozwijała się współczesna awangarda w sztuce, oprócz „Zachęty” nowymi wielkimi centrami sztuki nowoczesnej stały się m.in. Centrum Sztuki Współczesnej w Zamku Ujazdowskim, Galeria Foksal. W 1973 rozpoczęła się odbudowa Zamku Królewskiego. 2 czerwca 1979 w Warszawie rozpoczęła się pierwsza pielgrzymka papieża Jana Pawła II. Od 6 lutego do 5 kwietnia 1989 w Pałacu Rady Ministrów toczyły się obrady Okrągłego Stołu, które zapoczątkowały transformację ustrojową w Polsce.
W 1990 przeprowadzono demokratyczne wybory przedstawicieli rad siedmiu dzielnic (Żoliborz, Wola, Ochota, Mokotów, Śródmieście, Praga-Północ, Praga-Południe). W 1994 roku dokonano reformy administracyjnej stolicy. Pierwszymi prezydentami miasta po okresie PRL byli kolejno Stanisław Wyganowski, Mieczysław Bareja, Marcin Święcicki, Paweł Piskorski i Wojciech Kozak. Po uchwaleniu w 2002 nowej tzw. ustawy warszawskiej, Warszawa stała się jednolitą gminą miejską na prawach powiatu, która jest częścią województwa mazowieckiego składającą się z 18 dzielnic. Pierwszym prezydentem Warszawy według nowego ustroju został Lech Kaczyński. Od 2006 do 2018 funkcję tę pełniła pierwsza kobieta na tym stanowisku, Hanna Gronkiewicz-Waltz.
Po 1990 roku nastąpił boom budowlany, miasto stało się ważnym centrum finansowym i siedzibą inwestorów krajowych i zagranicznych. Spośród wielu inwestycji infrastrukturalnych do największych zalicza się m.in. budowę metra (pierwsza linia oddana do użytku w 1995 a centralny odcinek drugiej linii w 2015), mostu Siekierkowskiego, Stadionu Narodowego, obwodnicy Warszawy, Oczyszczalni Ścieków „Czajka” i rozbudowę Lotniska Chopina.