Edo-kausi alkoi, kun Tokugawa Ieyasusta tuli shogun vuonna 1603, ja kaupunki kehittyi nopeasti hänen seuraajiensa aikana. Edon linnan rakentaminen, päätorni mukaan lukien, saatiin lopulta valmiiksi vuonna 1637. Vuonna 1657 Meirekin suuri tulipalo tuhosi suuren osan Yoshiwaran punaisen valon kaupunginosasta, Asakusasta ja Edon linnasta. 100 000 ihmistä kuoli.
Vuonna 1701 shogunin palatsissa Asano Naganori veti miekkansa ja viilsi Kira Yoshinakan, korkea-arvoisimman protokollamestarin. Asano pakotettiin välittömästi tekemään seppuku. Seuraavan vuoden lopulla hänen 47 isännätöntä palvelijaansa kosti isäntänsä kuoleman hyökkäämällä Kiran kimppuun ja mestaamalla hänet tämän asunnossa Ryogokussa. Tästä uskollisuustarinasta tuli pian ajaton klassikko, joka tunnetaan nimellä Chushingura.
Bakumatsu-kaudella poliittinen toiminta lisääntyi. Vuonna 1860 Japanin avautumista länteen kannattanut Ii Naosuke salamurhattiin ulkomaiden vastaisen kapinallisten samuraiden toimesta. 1867 Japanin viimeinen shogun, Tokugawa Yoshinobu, luovutti vallan keisarille vuonna 1867 ja pakeni Edosta vuonna 1868 kärsittyään sotilaallisen tappion mahtavilta maakuntavalloilta, jotka tavoittelivat valtaa keisarin nimissä.
263 vuoden jälkeen shogunaatti syöstiin vallasta keisarillisen vallan palauttamisen merkeissä. Vuonna 1869 17-vuotias keisari Meijin keulahahmo muutti Edoon, joka oli edellisenä vuonna nimetty uudelleen ”Tokioksi” (”itäinen pääkaupunki”). Tokio oli jo ennestään maan poliittinen, taloudellinen ja kulttuurinen keskus, ja keisarin asuinpaikka teki siitä myös tosiasiallisesti keisarillisen pääkaupungin, kun entisestä Edon linnasta tuli keisarillinen palatsi. Tokion kaupunki perustettiin, ja se pysyi pääkaupunkina, kunnes se lakkautettiin kuntana vuonna 1943 ja yhdistettiin Tokion ”metropoliprefektuuriin”.