Edo-perioden började när Tokugawa Ieyasu blev shogun 1603, och staden utvecklades snabbt under hans efterföljare. Byggandet av Edos slott, inklusive huvudtornet, slutfördes slutligen 1637. År 1657 förstörde den stora branden i Meireki stora delar av Yoshiwara rödljusdistrikt, Asakusa och Edos slott. 100 000 människor dog.
I shoguns palats drog Asano Naganori 1701 sitt svärd och skar Kira Yoshinaka, den högst rankade protokollföraren, i bitar. Asano tvingades omedelbart att begå seppuku. I slutet av följande år hämnades hans 47 mästarlösa tjänare sin mästares död genom att attackera och halshugga Kira vid hans residens i Ryogoku. Denna berättelse om lojalitet blev snart en tidlös klassiker känd som Chushingura.
Under bakumatsu-eran ökade den politiska aktiviteten. År 1860 mördades Ii Naosuke, som förespråkade att Japan skulle öppnas mot väst, av främlingsfientliga rebelliska samurajer. 1867 Japans sista shogun, Tokugawa Yoshinobu, överlämnade makten till kejsaren 1867 och flydde från Edo 1868 efter ett militärt nederlag mot mäktiga provinsmakter som sökte makten i kejsarens namn.
Efter 263 år störtades shogunatet under parollen att återupprätta det kejserliga styret. År 1869 flyttade galjonsfigurens 17-årige kejsare Meiji till Edo, som året innan hade döpts om till ”Tokyo” (”östra huvudstaden”). Tokyo var redan landets politiska, ekonomiska och kulturella centrum, och kejsarens residens gjorde det också till en de facto kejserlig huvudstad genom att det tidigare Edoslottet blev det kejserliga palatset. Staden Tokyo grundades och fortsatte att vara huvudstad tills den avskaffades som kommun 1943 och slogs samman med ”Metropolitan Prefecture” Tokyo.