Mit dem Anschluss an Polen erhielt das Warschauer Bürgertum von Sigismund I. viele Handelsprivilegien, die die Entwicklung der Stadt beschleunigten. Mit der Wiedererlangung Danzigs und des Weichseldeltas 1466 durch Polen wurde die Weichsel der wichtigste polnische Handelsweg für den Export und Import nach und aus Westeuropa. Das an der Weichsel gelegene Warschau profitierte wirtschaftlich sehr davon. Nach dem Tod Sigismunds I. verlegte seine Witwe Bona Sforza 1548 ihren Hof vom Krakauer Wawel ins Schloss Ujazdowski in Warschau. Ihr Sohn Sigismund II. August regierte Polen-Litauen jedoch weiterhin von Krakau aus, obwohl er immer öfter in Warschau zu Gast war. 1569 und 1573 wurde in der Union von Lublin bzw. den Articuli Henriciani festgelegt, dass das polnische Parlament Sejm in Warschau tagen und die Königswahl in Kamion bzw. Wola vor den Toren Warschaus stattfinden sollte. So wurden in Kamion Heinrich von Valois 1573 und in Wola 1574 Stephan Báthory und 1587 Sigismund III. Wasa zu polnisch-litauischen Königen gewählt. Auch die Abnahme des Lehnseides der preußischen Herzöge wurde seit Stephan Báthory vor der Annakirche in Warschau statt auf dem Krakauer Marktplatz vollzogen. Nach dem Brand des Krakauer Wawels 1596 entschloss sich Sigismund III. Wasa aus dem schwedischen Hause Wasa die Residenz der polnischen Könige nach Warschau zu verlegen, weil er zugleich König von Schweden war und Ambitionen auf den Moskauer Zarenthron hegte. Der Umzug wurde in Etappen vollbracht und das Schloss der masowischen Herzöge seit 1598 von italienischen Baumeistern zum polnischen Königsschloss ausgebaut. Nach der Rückkehr vom erfolgreichen Feldzug nach Moskau 1611 blieb Sigismund III. Wasa endgültig in Warschau. Gleichwohl blieb Krakau rechtlich weiterhin Hauptstadt, da es keinen Rechtsakt gab, der den Umzug legalisieren würde. Warschau stand bis 1795 nur der Titel des Königssitzes zu. Mit der Erlangung der Rolle der Hauptstadt begann für Warschau eine Blütezeit im Frühbarock unter der Dynastie der Wasas, die bis zur Zerstörung der Stadt durch die Schweden 1655 andauerte. Nach dem Brand der Altstadt 1607 wurde diese im manieristischen Stil wieder aufgebaut. Warschau wuchs im 16. Jahrhundert weit über die mittelalterlichen Stadtmauern der Alt- und Neustadt hinaus und hatte über 50.000 Einwohner. Es entstanden neue Stadtviertel beiderseits der Weichsel. Um 1568 bis 1573 entstand die erste über 500 m lange Weichselbrücke auf 18 Pfeilern. Es war eine der längsten Brücken im damaligen Europa. 1648 erhielt Praga, der Stadtteil auf dem rechten Weichselufer, die Stadtrechte. Andere Stadtviertel (jurydyka) waren Privateigentum einzelner Magnaten, reicher Kleinadelige (Szlachta), Geistlicher und Klöster. Sie waren von der städtischen Gerichtsbarkeit ausgenommen. Sie entstanden zahlreich um die neuen frühbarocken Paläste des Adels, der die Nähe zum Königshof suchend von Krakau herzog. Die Magnaten stifteten auch zahlreiche frühbarocke Kirchen und Klöster. 1597 kamen z.B. die Jesuiten nach Warschau. Sigismund III. Wasa ließ das Königsschloss das Schloss Ujazdowski und den Kazmierzpalast im frühbarocken Stil um- und ausbauen. Entlang der Krakauer Vorstadt entstanden am Königstrakt die prachtvollsten Paläste des Adels Koniecpolski Palais, Potocki Palais, Krasicki Palais etc. Als eines der luxuriösesten Palais Europas galt der 1641 errichtete Ossolinski-Palast. 1637 eröffnete Władysław IV. das erste dauerhafte Theater im Königsschloss und ließ 1643 für seinen 1632 verstorbenen Vater Sigismund III. Wasa auf dem Schlossplatz die Sigismundssäule errichten, das erste profane Denkmal Warschaus. Seit 1661 erschien in Warschau die erste polnische Tageszeitung, der "Polnische Merkur". In der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts war Warschau eines der führenden Zentren der frühen Neuzeit in Europa. In den Jahren 1655-57, während des Zweiten Nordischen Krieges, wurde Warschau von den Schweden, Brandenburgern und Siebenbürgern zerstört. Die reichen Paläste wurden ausgeraubt und niedergebrannt und die geplünderten Kunstschätze und Bücherbestände nach Schweden verschifft. Die Verwüstungen war so groß, dass diese Jahre als die Schwedische Sintflut in die Geschichte der Stadt eingingen und der 23. Juni als Festtag zur Erinnerung an den Rückzug der feindlichen Truppen 1657 begangen wurde. Aus der Waza-Zeit sind gleichwohl wertvolle frühbarocke Baudenkmäler im 17. Jahrhundert erhalten geblieben oder rekonstruiert worden, wie z.B. das Königsschloss, das Ujazdowski-Schloss, die Jesuitenkirche und die Dominikanerkirche sowie das Gianotti-Palais in der Altstadt. Die Waza-Zeit endete 1668 endgültig mit der Abdankung von Johann II. Kasimir.
Eine erneute Blütezeit begann für Warschau unter der Herrschaft Jan Sobieskis ab 1673, der vor allem als großzügiger Mäzen und Kunstliebhaber die südlichen Stadtteile ausbauen ließ. Er folgte dem nur fünf Jahre in Warschau regierenden Michael I Korybut Wisniowiecki. Ab 1677 baute Sobieski das Schloss Wilanów an dem nach Süden verlängerten Königstrakt im Versailler Stil mit einem großen französischen Garten. 1687 stiftete er ebenfalls im Süden Warschaus die Antoni-Padewski-Kirche als Votum für den Sieg bei Wien 1683. Sobieski holte zwei der genialsten europäischen Baumeister des Hochbarock nach Warschau, Tylman van Gameren und Andreas Schlüter, sowie zahlreiche Künstler, unter denen vor allem Jan Reisner zu erwähnen ist. Sobieskis Ehefrau Marysieńka baute ab 1692 den nach ihr benannten Stadtteil Marymont mit einem der damals weltweit größten Handelszentren Marywil, an dessen Stelle sich heute das Große Theater und der Theaterplatz befinden. In dieser Zeit entstanden unter der Anleitung von Tylman van Gameren auch das Krasiński Palais, das Ostrogski-Palais, die Sakramenteinnenkirche, die Kapuzinerkirche und die Karmeliterkirche.
Nach dem Tod von Sobieski 1696 und der Wahl Augusts II. 1697 begann die Wettiner-Zeit. Diese Zeit der sächsischen Könige begann für Warschau sehr unglücklich mit dem Großen Nordischen Krieg ab 1702. Während dieses Krieges und des später folgenden Polnischen Thronfolgekriegs ab 1734 wurde Warschau erneut von schwedischen bzw. russischen Truppen besetzt und zerstört. Zuletzt verflocht August III. Polen in den Siebenjährigen Krieg ab 1756. In der sächsischen Zeit unter August II. und August III. wurde ab 1713 die Sächsische Achse mit dem Sächsischen Palais, dem Brühl'schen Palais und dem Sächsischen Park senkrecht zum Königstrakt geschaffen. 1726 wurde der Sächsische Park für die Öffentlichkeit geöffnet. 1740 entstand das Collegium Nobilium, eine Aristokratenschule der Piaristen, aus der die Warschauer Universität hervorgehen sollte. 1748 wurde die Warschauer Oper eröffnet. Auch die Palais an der Senatorska- und der Miodowa-Straße gehen auf die Sachsenzeit zurück. Die Wettiner holten hervorragende Dresdner Baumeister und Künstler, wie Johann Georg Plersch und Johann Siegmunt Deybel, und die Mode für Meissner Porzellan an den Warschauer Hof. Diese gestalteten Warschau im Stil des Spätbarock und Rokoko um. 1732 führte August II. eine der größten Militärparaden auf den Czerniakow-Feldern vor Warschau zu Ehren seiner Tochter Anna Orzelska, für die er auch das Blaue Palais errichten ließ, durch. Aufgrund der großen Verwüstungen in den zahlreichen Kriegen ging die Sachsenzeit dennoch als eine der schwärzesten Perioden in die Warschauer Geschichte ein.
Zur erneuten Blütezeit kam es während der polnischen Aufklärung unter Stanislaus August Poniatowski ab 1764, der viele Warschauer Gebäude im klassizistischen Stil umbauen bzw. errichten ließ. Unter seiner Herrschaft wurde Warschau zu einem der bedeutendsten Zentren der Aufklärung und des Klassizismus in Europa. Er verlängerte den Königstrakt südlich der Krakauer Vorstadt um die Neue Welt und gründete dort neue "Jurydykas". Südlich des Schlosses Ujazdowski ließ er den Łazienki-Komplex mit vielen Gärten und Schlössern erbauen. Zahlreiche Palais aus der Stanislaus-Zeit finden sich auch an der Dluga und der Senatorska-Straße. Unter seiner Zeit hatte Warschau mehr als 150.000 Einwohner und war damit eine der größten Städte in Europa. Er begann seine Regierungszeit sehr ambitioniert. Bereits im ersten Regierungsjahr 1765 gründete er die Ritterschule, die Münzerei und das Große Nationale Theater in Warschau unter der Regie von Wojciech Bogusławski. Seit 1770 wurde die Stadt neu geordnet und alle Straßen erhielten Straßennamen und Hausnummern. Ab 1772 wurde der Łazienki-Komplex umgebaut. Ab 1776 wurde die Altstadt durch eine weitere Weichselbrücke mit dem rechts der Weichsel gelegenen Stadtteil Praga verbunden. Ab 1773 hatte das erste Bildungsministerium der Welt, die Kommission für Nationale Erziehung, ihren Sitz in Warschau und zwischen 1788 bis 1792 tagte im Warschauer Königsschloss der Große Sejm, der am 3. Mai 1791 die erste moderne Verfassung Europas verabschiedete. Dem war 1789 die sogenannte Schwarze Prozession vorausgegangen, in der die Städte mehr politische Mitspracherechte verlangten. Sie führte schließlich zur Einbeziehung der Stadtverfassung vom 20. April 1791 in die Verfassung vom 3. Mai 1791. Für Warschau hatte dies unter anderem zur Folge, dass die Jurydykas aufgehoben und dass eine einheitliche Stadtverwaltung eingeführt wurde. Daher ist auch der 21. April (der Tag, an dem Warschau die Städteverfassung ratifizierte) der Stadtfeiertag. Die Verfassung vom 3. Mai 1791 hatte zur Folge, dass russische und preußische Truppen 1792 besetzten und Polen 1793 zum zweiten Mal geteilt wurde. Ein zunächst erfolgreicher Aufstand in Warschau unter der Führung des Schustermeisters Jan Kilińskis innerhalb des ganzpolnischen Kościuszko-Aufstands, an dem die ganze Bevölkerung Warschaus regen Anteil nahm, wurde 1794 niedergeschlagen und Polen 1795 zum dritten Mal geteilt. Die russischen Truppen Suworows veranstalten 1794 ein Massaker unter der Bevölkerung des rechtsufrigen Stadtteils Praga. Dabei kamen mehrere Zehntausend Zivilisten ums Leben. Nach der Abdankung Stanisław August Poniatowskis, der 1798 in Grodno verstarb, wurde Warschau 1796 von preußischen Truppen besetzt und für 11 Jahre Sitz der neuen preußischen Provinz "Südpreußen", die Warschau, Posen und Kalisch umfasste. Die Bevölkerungszahl sank rapide auf 115.000 Einwohner 1806 und die wirtschaftliche Lage verschlechterte sich. 1800 gründete Stanisław Staszic die Polnische Wissenschaftsakademie "Polska Akademia Nauk" in Warschau, die bis heute ihren Sitz im Staszic-Palast an der Krakauer Vorstadt hat.