Die russische Revolution von 1905 bis 1907 erfasste die Stadt im Dezember 1905, als die Moskauer Arbeiter vom politischen Massenstreik zum bewaffneten Aufstand übergingen. Das Wirtschafts- und Versorgungschaos im Ersten Weltkrieg schürte die sozialen Spannungen weiter. 1917 wurde während der Februarrevolution Zar Nikolaus II. (1868–1918) gestürzt. Im gleichen Jahr leitete Lenin (1870–1924) in Sankt Petersburg die Oktoberrevolution, was zum Bürgerkrieg von 1917 bis 1922 und zur Machtübernahme der kommunistischen Bolschewiki in Russland führte.
Am 12. März 1918 wurde Moskau zur Hauptstadt des Landes erklärt und die Regierung zog in den Kreml am Roten Platz. Am 30. Dezember 1922 ist dort die UdSSR gegründet worden. Nach Beendigung des Bürgerkrieges wurde 1925 eine grundlegende Umgestaltung Moskaus nach neuen städtebaulichen Grundsätzen, die eine Verbesserung der Wohnverhältnisse der Bevölkerung und die Beseitigung der Elendsbehausungen am Stadtrand vorsahen, in Angriff genommen. 1926 zählte die Stadt wieder zwei Millionen Einwohner.
1935 begann mit dem von Josef Stalin beschlossenen „Generalplan zur Stadterneuerung“ eine komplexe Neugestaltung Moskaus – damals sind die breiten Radialstraßen angelegt und die U-Bahn eröffnet worden, über die Moskwa spannte man neue Brücken und baute den Moskau-Wolga-Kanal. Quer durch die Altstadt wurden neue Magistralen geschlagen, zahlreiche historische Baudenkmäler wichen überdimensionierten sowjetischen Prunkbauten. Etwa 200.000 Bauarbeiter – überwiegend politische Gefangene – waren an der Umsetzung des Generalplans beteiligt.
Die vollständige Zerstörung des alten Moskau wurde paradoxerweise nur durch den Zweiten Weltkrieg verhindert, der zur Einstellung der Arbeiten führte. Auch das höchste Gebäude der Welt, der 415 Meter hohe „Palast der Sowjets“, konnte nicht mehr fertiggestellt werden. Anstelle der am 5. Dezember 1931 gesprengten Christ-Erlöser-Kathedrale sollte das gewaltige Politik- und Kulturforum die Überlegenheit des sozialistischen Gesellschaftsmodells zeigen. Zur Ausführung gelangte jedoch nur das Fundament, denn bei Ausbruch des „Großen Vaterländischen Krieges“ wurde das Projekt stillgelegt – und nach dem Krieg nicht wiederaufgenommen.