Năm 1831, nhà Nguyễn điều chỉnh lại địa giới hành chính, cắt huyện Thiên Phúc (vùng đất huyện Sóc Sơn, thành phố Hà Nội ngày nay) về tỉnh Bắc Ninh, thủ phủ của trấn Thái Nguyên được chuyển từ xã Bình Kỳ, huyện Thiên Phúc về thành Đồng Mỗ, thuộc huyện Đồng Hỷ (nay là một phần vùng đất thuộc các phường Trưng Vương và Túc Duyên, thành phố Thái Nguyên). Tỉnh thành đất bằng phẳng, rộng rãi, đường thủy, đường bộ giao thông đều thuận tiện. Chu vi tỉnh thành dài 345 trượng (khoảng 1145,4 mét), cao 9 thước (khoảng 2,88 mét), mở 4 cửa, hào rộng 3 trượng (khoảng 9,96 mét), sâu 5 thước (khoảng 1,66 mét). Tường thành đắp bằng đất, đến năm Tự Đức thứ 2 (1849) được xây bằng gạch.

Dưới thời Pháp thuộc, từ năm 1884 đến đầu Thế kỷ XX, cùng với việc tăng cường bộ máy đàn áp, mở rộng các cơ sở dịch vụ, thành phố Thái Nguyên được thực dân Pháp mở rộng thành thị xã Thái Nguyên và phát triển dân về phía Tây nam, bao gồm phần đất có diện tích tương ứng với phường Trưng Vương, một phần các phường Túc Duyên, Hoàng Văn Thụ và Phan Đình Phùng ngày nay.

Sau Cách mạng Tháng Tám 1945 thành công, nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa ra đời, thị xã Thái Nguyên là tỉnh lỵ tỉnh Thái Nguyên.

Năm 1956, khu Tự trị Việt Bắc được thành lập, thị xã Thái Nguyên vừa là tỉnh lỵ tỉnh Thái Nguyên, vừa là Thủ phủ của Khu Tự trị Việt Bắc, gồm 3 phường: Hoàng Văn Thụ, Phan Đình Phùng, Trưng Vương.

Năm 1958, cắt một phần đất của các xã Đồng Bẩm, Cao Ngạn, Hóa Thượng thuộc huyện Đồng Hỷ để thành lập thị trấn Núi Voi và tiểu khu Chiến Thắng.

Theo quyết định số 114/CP ngày 19 tháng 10 năm 1962 của Thủ tướng Chính phủ, thị xã Thái Nguyên được nâng cấp thành thành phố Thái Nguyên, thuộc tỉnh Thái Nguyên, với tổng diện tích tự nhiên hơn 100 km2 và dân số khoảng 60.000 người; cùng thời điểm này, chuyển 4 xã Cam Giá, Túc Duyên, Quang Vinh, Đồng Bẩm, các xóm Chùa, Quan Triều của xã Lương Sơn, các xóm Hòa Bình, Minh Cầu, Thống Nhất, Cầu Tre, Tiến Thành, Cấp Tiến của xã Đồng Quang, các xóm Thành, Phố, Ôn Lương của xã Tích Lương (thuộc huyện Đồng Hỷ); các xóm Nhân Thịnh, Ngọc Tâm của xã Thượng Đình (sáp nhập vào xã Lương Sơn), các xóm Ngân, Na Hoàng, Tiến Bộ, Phú Thái, Lương Thịnh, Tân Trung của xã Lương Sơn, xóm Hanh của xã Đào Xá (thuộc huyện Phú Bình); xóm Tân Long của xã Sơn Cẩm (thuộc huyện Phú Lương) và thị trấn Trại Cau về thành phố Thái Nguyên quản lý.

Nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế, xã hội và tăng cường khả năng quốc phòng, theo quyết định ngày 21 tháng 4 năm 1965 của Quốc hội nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa, hai tỉnh Thái Nguyên và Bắc Kạn sáp nhập thành tỉnh Bắc Thái, thành phố Thái Nguyên là tỉnh lỵ tỉnh Bắc Thái[6].

Sau năm 1975, thành phố Thái Nguyên có 10 phường: Chiến Thắng, Hoàng Văn Thụ, Hương Sơn, Phan Đình Phùng, Phú Xá, Quan Triều, Tân Long, Tân Thành, Trung Thành, Trưng Vương; 2 thị trấn: Núi Voi và Trại Cau và 7 xã: Cam Giá, Đồng Bẩm, Đồng Quang, Gia Sàng, Lương Sơn, Quang Vinh, Túc Duyên.

Ngày 21 tháng 10 năm 1982, chuyển thị trấn Núi Voi thành phường Núi Voi và chuyển thị trấn Trại Cau về huyện Đồng Hỷ quản lý[7].

Để phù hợp với sự phát triển kinh tế, xã hội của thành phố Thái Nguyên và huyện Đồng Hỷ, ngày 2 tháng 4 năm 1985, Hội đồng Bộ trưởng (nay là Hội đồng Chính phủ) ra quyết định số 102/HĐBT điều chỉnh địa giới huyện Đồng Hỷ sang phía đông bắc sông Cầu; thành phố Thái Nguyên tiếp nhận thêm 7 xã phía tây và tây bắc của huyện Đồng Hỷ: Phúc Hà, Phúc Xuân, Phúc Trìu, Tân Cương, Thịnh Đán, Thịnh Đức và Tích Lương, đồng thời cắt xã Đồng Bẩm và 2 phường Chiến Thắng, Núi Voi về huyện Đồng Hỷ quản lý[8].

Ngày 8 tháng 4 năm 1985, Hội đồng Bộ trưởng ra Quyết định số 109/HĐBT, thành lập phường Tân Thịnh (tách ra từ xã Thịnh Đán), và chuyển 3 xã Đồng Quang, Cam Giá, Gia Sàng thành 3 phường có tên tương ứng.[9]

Theo Quyết định số 25/HĐBT ngày 13 tháng 2 năm 1987 của Hội đồng Bộ trưởng, chuyển 2 xã Túc Duyên, Quang Vinh thành 2 phường có tên tương ứng; phường Tân Thịnh được chia thành 2 phường Tân Thịnh và Tân Lập.[10]

Thực hiện Nghị định số 64/CP ngày 11 tháng 7 năm 1994 của Chính phủ, phường Đồng Quang tách thành 2 phường: Đồng Quang và Quang Trung.

Theo Quyết định ngày 6 tháng 11 năm 1996 của Quốc hội khóa IX, tỉnh Bắc Thái được tách thành 2 tỉnh Thái Nguyên và Bắc Kạn, thành phố Thái Nguyên là tỉnh lỵ tỉnh Thái Nguyên, gồm 17 phường: Cam Giá, Đồng Quang, Gia Sàng, Hoàng Văn Thụ, Hương Sơn, Phan Đình Phùng, Phú Xá, Quan Triều, Quang Trung, Quang Vinh, Tân Lập, Tân Long, Tân Thành, Tân Thịnh, Trung Thành, Trưng Vương, Túc Duyên và 8 xã: Lương Sơn, Phúc Hà, Phúc Trìu, Phúc Xuân, Tân Cương, Thịnh Đán, Thịnh Đức, Tích Lương.[11]

Ngày 14 tháng 10 năm 2002, Thủ tướng Chính phủ đã có quyết định số 135/2002/QĐ-TTG công nhận thành phố Thái Nguyên là đô thị loại II.[12]

Theo Quyết định số 14/2004/NĐ-CP, ngày 1 tháng 9 năm 2004 của Chính phủ, thành lập phường Thịnh Đán trên cơ sở điều chỉnh một phần diện tích và dân số của phường Tân Thịnh; đổi tên xã Thịnh Đán thành xã Quyết Thắng.[13]

Ngày 31 tháng 7 năm 2008, Chính phủ đã có Nghị định số 84/2008-CP về điều chỉnh địa giới huyện Đồng Hỷ để mở rộng thành phố Thái Nguyên, bàn giao hai xã Cao Ngạn và Đồng Bẩm về thành phố Thái Nguyên.[14]

Ngày 1 tháng 9 năm 2010, Thủ tướng Chính phủ đã có quyết định số 1615/QĐ-TTG công nhận thành phố Thái Nguyên là đô thị loại I trực thuộc tỉnh Thái Nguyên.[15]

Ngày 13 tháng 1 năm 2011, Chính phủ đã có nghị quyết số 05/NQ-CP về giải thể, điều chỉnh địa giới để thành lập các phường, thị trấn trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên; theo đó, chuyển xã Tích Lương thành phường Tích Lương thuộc thành phố Thái Nguyên.[16]

Ngày 11 tháng 5 năm 2015, Ủy ban Thường vụ Quốc hội đã có nghị quyết về việc điều chỉnh địa giới hành chính thành phố Thái Nguyên và thị xã Sông Công trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên; theo đó, chuyển xã Lương Sơn thuộc thành phố Thái Nguyên về thị xã Sông Công quản lý (nay là phường Lương Sơn, thành phố Sông Công)[17]. Thành phố Thái Nguyên còn lại 17.069,76 ha diện tích tự nhiên, 306.842 người với 27 đơn vị hành chính bao gồm 19 phường và 8 xã.

Ngày 18 tháng 8 năm 2017, chuyển xã Sơn Cẩm của huyện Phú Lương, 2 xã Linh Sơn, Huống Thượng, thị trấn Chùa Hang của huyện Đồng Hỷ và xã Đồng Liên của huyện Phú Bình với tổng cộng 52,4 km² diện tích tự nhiên và 45.341 người về thành phố Thái Nguyên quản lý. Đồng thời chuyển xã Đồng Bẩm thành phường Đồng Bẩm, chuyển thị trấn Chùa Hang thành phường Chùa Hang.[18]

Sau khi điều chỉnh địa giới và thành lập các phường, thành phố Thái Nguyên có 222,93 km² diện tích tự nhiên, dân số 362.921 người; có 32 đơn vị hành chính cấp xã trực thuộc, bao gồm 21 phường và 11 xã.