В 1918 году Москва становится столицей РСФСР. Началась новая, советская, эпоха в развитии города. В советское время Москва вновь стала центром государства, увеличилось международное политическое значение города. Москва застраивалась быстрыми темпами, к городу присоединялись бывшие пригороды. Со строительством МКАД сформировались современные границы Москвы. Появился метрополитен. В то же время историческая застройка центра города подверглась выборочному уничтожению; был разрушен ряд храмов и монастырей, в числе которых Храм Христа Спасителя, Страстной монастырь. В 1922 году Москва стала столицей СССР. В городе началось быстрое развитие транспортной инфраструктуры. Так, в 1924 году в Москве открылось автобусное движение, в 1933 году был запущен первый троллейбусный маршрут, а в 1935 году для пассажиров открылась первая линия метрополитена.

В годы индустриализации в Москве быстрыми темпами развивается сеть высших и средних технических учебных заведений.

В тридцатые годы в Москве была создана целая сеть научно-исследовательских и проектных институтов технического профиля. Подавляющее большинство из них входило в систему Академии наук СССР[32]. В это время в городе также развиваются средства массовой информации, издается много газет, с 1939 года организовано регулярное телевизионное вещание[33][34]. Во время Великой Отечественной войны в городе располагались ГКО и генеральный штаб РККА, было сформировано народное ополчение (свыше 160 тыс. чел.).

Зимой 1941—1942 годов произошла знаменитая битва под Москвой, в которой советские войска одержали первую в мире победу над вермахтом с момента начала Второй мировой войны. В октябре 1941 года немецкие войска подступили вплотную к Москве; многие промышленные предприятия были эвакуированы, началась эвакуация правительственных учреждений в Куйбышев. 20 октября 1941 года в Москве было введено осадное положение. Но, несмотря на это, 7 ноября на Красной площади состоялся военный парад, для которого с фронта было снято 200 танков. В декабре 1941 года наступление немецкой группы армий «Центр» под Москвой было остановлено; в результате успешного контрнаступления советских войск под Москвой немецкие войска отброшены от столицы. 24 июня 1945 года на Красной площади состоялся Парад Победы.

В 1952—1957 годах было проведено строительство высотных зданий, впоследствии получивших название «Сталинских высоток» и ставших одним из символов[35] Москвы советской эпохи.

В конце 1960-х — начале 1970-х годов серьёзной перестройке подвергся центр города. Ради расширения существующих улиц, строительства новых магистралей и типовых многоэтажных панельных домов были снесены архитектурные памятники[36].

В 1957 и 1985 годах в Москве прошли соответственно VI и XII по счёту Всемирные фестивали молодёжи и студентов. В 1980 году Москва принимала XXII летние Олимпийские игры.