При Временното руско управление губернатор на Пловдив е генерал Николай Веляминов, а от май до октомври 1878 година в града е седалището на цялата руска администрация в България, начело с княз Александър Дондуков-Корсаков. През този период е възстановен изгореният през войната мост над Марица, създадена е Дондуковата градина, основано е първото българско военно училище, преместено през ноември в София. От Виена в Пловдив е преместена печатницата на Христо Г. Данов, в която започва да се печата първият български вестник след Освобождението – „Марица“.[62]
През юли 1878 година е сключен Берлинският договор, който създава Източна Румелия – област с широка автономия, чиято столица става Пловдив. В града се установяват генерал-губернаторът, правителството, областното събрание, централните съдилища и военното командване на областта. През следващите години са създадени първата публична библиотека с музей, първият български професионален театър, девическото училище е преобразувано в гимназия, католическото – във френски колеж. През 80-те години в Пловдив работят водещите български писатели – Иван Вазов, Петко Славейков, Захарий Стоянов, Константин Величков. Според проведеното през 1884 година първо преброяване Пловдив има 33 хиляди жители, половината от които са българи, а останалите главно турци, гърци, евреи и арменци. Той е най-големият град в Княжество България и Източна Румелия, следван от Русе с 26 хиляди жители. През 80-те години започва постепенна индустриализация на града – създадени са фабрики за спирт (1882), бира (1882), сапун (1884), няколко частни и държавна печатница, механизира се традиционната преработка на тютюн.[63]
Още със създаването на Източна Румелия въпросът за нейното обединение с останалата част от България е основен за политическия живот на областта. През 1885 година Пловдив е в центъра на събитията около Съединението – тук действа Българският таен централен революционен комитет, местният военен гарнизон отстранява правителството на областта, а новите власти обявяват присъединяването на Източна Румелия към Княжество България.[64] Днес 6 септември, Денят на Съединението, се чества и като празник на град Пловдив.
В годините след Съединението много видни пловдивчани се преселват в София, където заемат водещи позиции в политическите, деловите и културните среди. Въпреки това градът запазва статута си на основен административен и стопански център в Южна България. През 1888 година е удължена железопътната линия, която вече свързва Пловдив със София. През 1891 година е завършен първият модерен водопровод, доставящ вода от село Сотир, а през 1896 година е утвърден първият градоустройствен план. През 1892 г. Пловдив е домакин на Първото българско изложение с чуждестранно участие, което се превръща в редовно събитие, днес Международен панаир Пловдив. През следващите години продължава индустриализацията на града – от София е пренесена нова фабрика за сапуни и други химикали (1893), създадена е първата голяма мебелна фабрика, както и предприятия за производство на парфюмерия (1895) и тухли (1897).[65]
В началото на XX век Пловдив израства като голям промишлен и търговски център със силно развита лека и хранително-вкусова промишленост. През 1904 година голям пожар унищожава много сгради в занаятчийския квартал Капана. Продължава тенденцията на изселване на турското население от града, а през 1906 година избухват антигръцки погроми, при което са дадени жертви от двете страни. През следващите месеци гръцките църкви са присвоени от Българската екзархия, а голяма част от гърците напускат Пловдив. В навечерието на Балканските войни населението наближава 50 хиляди души, като най-бързо нараства делът на циганите (от 0,3% през 1884 до 7,3% през 1910 година).[66]
След Балканските войни в Пловдив пристигат към 8 хиляди бежанци от Македония и Източна Тракия. Първоначално настанени в неизползвани обществени сгради, скоро те създават кварталите Кючук Париж, Борислав, Кирпич махала, Сарай кър. Процесът на самонастаняване в свободни терени продължава с новата бежанска вълна след Първата световна война и със значителната имиграция от селата в Родопите. През 1920 година населението на града вече е 64 хиляди души, а през 1926 година – 85 хиляди души.[67]
Бързото нарастване на населението силно затруднява общината в поддържането на основни публични услуги. През 1927 година започва електрификацията на града, завършена в края на 20-те години. През 1928 година Пловдив е тежко засегнат от Чирпанското земетресение, като една трета от сградния фонд е напълно разрушена. През междувоенния период е разрушена голяма част от старата чаршия на града, включително големи сгради като Куршум хан
В междувоенния период продължава индустриализацията на Пловдив. През 1922 година е основано металообработващото предприятие „Балкан“, което скоро става едно от водещите в града и е последвано от други фабрики в този сектор. Край завода на „Балкан“ са построени първите хладилни складове, които произвеждат и лед. Тютюневата промишленост се модернизира и продължава да играе важна роля, като във връзка с нея са създадени нови фабрики за хартия и опаковки. Построени са няколко нови големи консервни и текстилни фабрики, а с ограниченията в международната търговия през 30-те години – и някои химически производства. През 1932 година е открито летище, а през следващата година – железопътни линии до Панагюрище и Карлово.[69]
През 1939 г. в Пловдив има над 16 000 занаятчии и над 17 000 работници във фабрики, предимно в хранителната и тютюневата промишленост. Населението на града е 106 хиляди души.[70] В годините на Втората световна война се разширява тютюневата промишленост и търговията и износа на плодове и зеленчуци, но други сектори са тежко засегнати от срива в международната търговия.[71] През март 1943 година Пловдив е основен център на съпротивата срещу депортирането на евреите – в града са арестувани 1500 души, но ден по-късно са освободени след намесата на митрополит Кирил и други видни общественици.[72] В началото на 1944 година градът е бомбардиран от британската и американската авиация.
След Деветосептемврийския преврат през 1944 година и Пловдив е засегнат от вълната на насилие при налагането на комунистическата власт, само т.нар. Народен съд осъжда на смърт 328 души и стотици други на продължителен затвор, много граждани са изселени или изпратени в лагери. През 1946 – 1947 година са национализирани промишлените предприятия, които след това са обединени, с което е ликвидирана конкуренцията в отделните сектори. Занаятчийските дейности също започват да се обединяват в контролирани от държавата кооперации.[74]
През 1945 година в Пловдив е създаден университет, разделен по-късно на Медицински и Аграрен. През 1948 година е приет нов градоустройствен план и е прокопан тунелът под Джендем тепе, но поради липса на финансиране той дълго остава неизползваем.
В годините на Народната република в Пловдив са построени мащабни индустриални предприятия като Комбинат за цветни метали, Текстилен комбинат, Електроапаратурен завод, Тютюнев комбинат, Консервен комбинат, Комбинат за мотокари и др. През 1954 година е открит стадион „Пловдив“, а през 1954 – 1956 година е изградена тролейбусна мрежа на градския транспорт, както и емблематичният за града хотел „Тримонциум“.[76]
През 1960 година населението на града достига 181 хиляди души, а през 1970 година – 264 хиляди.[77] През 60-те и 70-те години на века се извършва масирано строителство, оформят се съвременните жилищни комплекси. През 70-те и 80-те години са разкрити много от археологическите паметници в Пловдив, изцяло е реставриран Старият град.
През 1990 г. е завършен спортният комплекс „Пловдив“, включващ един от най-големите стадиони и най-голямата гребна база в България. През 1999 г. в „Града на хълмовете“ се провежда Европейският месец на културата.