Edo-perioden begyndte, da Tokugawa Ieyasu blev shogun i 1603, og byen udviklede sig hurtigt under hans efterfølgere. Byggeriet af Edo-slottet, herunder hovedtårnet, blev endelig afsluttet i 1637. I 1657 ødelagde den store brand i Meireki en stor del af Yoshiwara-rødtkvarteret, Asakusa og Edo-slottet. 100.000 mennesker døde.
I 1701 trak Asano Naganori i shogunens palads sit sværd og skar Kira Yoshinaka, den højest rangerende protokolmester, ihjel. Asano blev straks tvunget til at begå seppuku. I slutningen af det følgende år hævnede hans 47 mesterløse tjenestefolk deres herres død ved at angribe og halshugge Kira på hans residens i Ryogoku. Denne historie om loyalitet blev snart en tidløs klassiker, kendt som Chushingura.
Den bakumatsu-æraen oplevede en stigning i den politiske aktivitet. I 1860 blev Ii Naosuke, der gik ind for at åbne Japan for Vesten, myrdet af fremmedfjendtlige oprørske samuraier. 1867 Japans sidste shogun, Tokugawa Yoshinobu, overgav magten til kejseren i 1867 og flygtede fra Edo i 1868 efter et militært nederlag til magtfulde provinsmagter, der søgte magt i kejserens navn.
Efter 263 år blev shogunatet styrtet under fanen om at genoprette det kejserlige styre. I 1869 flyttede den 17-årige kejser Meiji, der var galionsfigur, til Edo, som året før var blevet omdøbt til “Tokyo” (“Østlig hovedstad”). Tokyo var allerede landets politiske, økonomiske og kulturelle centrum, og kejserens residens gjorde det også til en de facto kejserlig hovedstad, idet det tidligere Edo-slot blev det kejserlige palads. Byen Tokyo blev oprettet og fortsatte med at være hovedstad, indtil den blev afskaffet som kommune i 1943 og slået sammen med “Metropolitan Prefecture” Tokyo.