Tokugawa Ieyasu bestimmte Edo 1603 zur Hauptstadt des Shogunats, der wahren Macht in Japan, während der machtlose Tennō (Kaiser) weiterhin in der offiziellen Hauptstadt Kyōto residierte. Die Edo-Burg wurde während seiner Regierungszeit restauriert und erweitert.
Tokio wurde häufig von verheerenden Erdbeben und großen Bränden heimgesucht. So forderte etwa 1657 ein Großbrand mehrere Tausend Menschenleben und zerstörte mehr als 60 Prozent des damaligen Stadtgebietes. Das Shogunat nutzte diese Gelegenheit für eine Neuordnung der Stadtstrukturen, die hauptsächlich der Brandverhütung und der Verstärkung der Verteidigungsanlagen der Edo-Burg diente. In dieser Phase wurden systematisch Schreine und Tempel in Außenbezirke transportiert und Stadtbewohner in neu gebaute Außenbezirke umgesiedelt.
Zu einem schnelleren Wachstum der Stadt führte der Befehl Tokugawa Ieyasus an seine Daimyō, in Edo eigene Residenzen zu errichten, wo ihre Familien praktisch als Geiseln gehalten wurden (Sankin-kōtai-Verfügung). Zahlreiche Handwerker und Kaufleute, die zur Versorgung des Hofes gebraucht wurden, ließen sich Anfang des 18. Jahrhunderts in Edo nieder. Im Jahre 1868 wurde auf Veranlassung des Meiji Tennō (Mutsuhito, 1852–1912) der kaiserliche Hof nach Edo verlegt und die Stadt in Tōkyō („östliche Hauptstadt“) umbenannt.
1872 zerstörte ein Großbrand die Bezirke Ginza und Marunouchi. Der Wiederaufbau und die damit verbundene Modernisierung des Stadtbildes erfolgten nach westlichem Vorbild. Die Planung hierfür wurde einem englischen Architekten übertragen, der das Stadtbild mit einer Mischung europäischer Stile prägen wollte (Straßen nach Pariser und Bauweise der Häuser nach Londoner Vorbild). Trotz einer gewissen Ambivalenz in der Bevölkerung ob der vollkommen neuen, westlichen Bauten, die ein geschlosseneres Wohngefühl vermittelten, ließ der damalige Gouverneur Yuri Kimimasa Handwerker und Bauleute nach Tokio kommen, um mit den Arbeiten zu beginnen. Gerade im Stadtteil Ginza sollte der Wiederaufbau so schnell wie möglich beginnen, da dort eine Bahnlinie zwischen Yokohama und Shinbashi eingeweiht werden sollte. Indem man traditionelle Wohn- und Lagerhäuser in Nebenstraßen versetzte, machte man Platz für die neue Architektur.
Panoramaaufnahme von Edo aus dem Jahr 1865/1866 von Felice Beato