Die Edo-Periode begann, als Tokugawa Ieyasu 1603 Shogun wurde, und die Stadt entwickelte sich unter seinen Nachfolgern rasch. Der Bau der Burg von Edo, einschließlich des Hauptturms, wurde schließlich 1637 abgeschlossen. Im Jahr 1657 zerstörte das Große Feuer von Meireki einen Großteil des Rotlichtviertels Yoshiwara, Asakusa und die Burg Edo. 100.000 Menschen starben.
Im Jahr 1701 zog Asano Naganori im Palast des Shogun sein Schwert und erschlug Kira Yoshinaka, den ranghöchsten Meister des Protokolls. Asano wurde sofort gezwungen, Seppuku zu begehen. Am Ende des folgenden Jahres rächten seine 47 herrenlosen Gefolgsleute den Tod ihres Meisters, indem sie Kira in seiner Residenz in Ryogoku angriffen und enthaupteten. Diese Geschichte der Loyalität wurde bald zu einem zeitlosen Klassiker, bekannt als Chushingura.
In der Bakumatsu-Ära nahmen die politischen Aktivitäten zu. 1860 wurde Ii Naosuke, der die Öffnung Japans für den Westen befürwortete, von ausländerfeindlichen rebellischen Samurai ermordet. 1867 übergab Japans letzter Shogun, Tokugawa Yoshinobu, die Macht an den Kaiser und floh 1868 aus Edo, nachdem er von mächtigen Provinzmächten, die im Namen des Kaisers nach Macht strebten, militärisch besiegt worden war.
Nach 263 Jahren wurde das Shogunat unter dem Banner der Wiederherstellung der kaiserlichen Herrschaft gestürzt. 1869 zog die Galionsfigur, der 17-jährige Kaiser Meiji, nach Edo, das im Jahr zuvor in „Tokyo“ („Östliche Hauptstadt“) umbenannt worden war. Tokio war bereits das politische, wirtschaftliche und kulturelle Zentrum der Nation, und die Residenz des Kaisers machte die Stadt de facto auch zur kaiserlichen Hauptstadt, da die ehemalige Burg Edo zum Kaiserpalast wurde. Die Stadt Tokio wurde gegründet und blieb die Hauptstadt, bis sie 1943 als Gemeinde aufgelöst und mit der „Metropolitanpräfektur“ Tokio zusammengelegt wurde.