По време на Руско-турската война от 1877 – 1878 г. София е освободена от османско владичество на 4 януари 1878 г. (23 декември 1877 г. стар стил) от руски части под командването на генерал Йосиф Гурко.
През февруари 1878 г., в разгара на военните действия, населението на града намалява почти наполовина и по данни на общината е 11 694 души, от които 6560 българи, 3538 евреи, 839 турци и 737 цигани.
На 20 октомври 1878 г. от Пловдив в София се премества седалището на Временното руско управление, а на 3 април (22 март стар стил) 1879 г. по предложение на Марин Дринов Учредителното събрание избира София за столица на Княжество България (4 април е обявен за празник на София). В резултат на това броят на жителите нараства по-бързо в сравнение с другите български градове, главно от вътрешната миграция.
Избирането на София за столица спомага за нейното бързо превръщане в голям и важен политически, административен, икономически, научен и културен център на страната. Градоустройствените промени започват с голям размах скоро след това събитие. Центърът на града започва да се измества от площада при Баня Баши джамия към площада около Съборната катедрала „Св. Крал“ (днешната църква „Света Неделя“) , където се пресичат четирите основни пътни артерии на града. Оформени са широки радиални булеварди, а малките криви сокаци са заменени от успоредни преки, които се пресичат под прав ъгъл. Представителният център на града се оформя около княжеския дворец (царския дворец) и Народното събрание, а районът става средище не само на политическия живот, но и на културни и обществени прояви.
През 1907 г. в близост е открита сградата на Народния театър. В началото на XX в. булевард „Цар Освободител“ е застлан с прословутите „жълти плочки“, които свързват двореца с площада на Народното събрание и паметника на руския цар Александър II - Паметникът на Царя Освободител. По-нататък булевардът стига до започналия да се оформя в края на XIX в. нов „аристократический“ квартал на преподаватели, политици, юристи и офицери. В тази посока е и първото по-сериозно разширение на града – до коритото на Перловска река и Орлов мост.
Започва също концентрацията на капитали и развитието на промишлеността, изграждането на предприятия на електродобивната, металодобивната, пивоварната и дървопреработвателната промишленост. В повечето случаи това са все още малки фабрики и работилници. Към края на века на река Искър над Панчарево е построена първата водноелектрическа централа, която осигурява електроенергия за града. В 1893 г. е построена железопътната линия София-Перник, а след това и до Пловдив и Варна.
На Велики четвъртък, 16 април 1925 г., в София е извършен атентатът в църквата „Света Неделя“ от дейци на военното крило на БКП. Убити са 170 души и са ранени 500.
През 1938 г. е приет градоустройствен план, разработен от проф. Адолф Мусман (т.нар. план Мусман), който предвижда благоудтройството на града при нарастване на населението до 600 000 жители.