中世には武蔵七党と呼ばれる武士団が興り、関東に進出した畿内の河内源氏の家人となった。源平合戦では豊島氏、足立氏、葛西氏らが活躍している。12世紀には豊島郡江戸郷の名が見え、この地を本拠とする江戸氏も興った。14世紀には、新田義貞が鎌倉幕府軍を破った分倍河原の戦いが知られる。

戦国時代には扇ヶ谷上杉氏の家宰であった太田氏が台頭し、江戸城を築いた太田道灌が武蔵国の掌握に力を注いだが暗殺され、小田原城を拠点とする後北条氏が武蔵国に進出する。北条氏政の弟・北条氏照は八王子城を築き、西方の甲斐国の武田氏に備えた。その後北条氏も、豊臣秀吉の小田原攻めによって滅んだ。

江戸時代徳川家康

後北条氏が滅んだ後、東海地方から甲信を支配していた徳川家康が、関東地方（武蔵国を含むほとんど全部）への領地替えとなり、駿府城（旧静岡市）から江戸城に入る。やがて関ヶ原の戦いに勝利した家康は、1603年3月24日（旧暦2月12日）に江戸幕府を開き、江戸時代が到来する。ここに、首都は京都でありながら、江戸は行政庁所在地となる。幕府を開いた家康は進んで鷹狩りをやり、白金御殿などの御殿も造られた。江戸は人口の急増とともに町が拡大していき、18世紀初頭には人口100万人を超える世界有数の大都市（一説によると当時世界一）へと発展を遂げていた。5代将軍徳川綱吉の時代には現在の23区内唯一の喜多見藩があったが、数年で消滅に至ってしまう。

明治維新から第二次世界大戦まで

（※東京府、東京市の項も参照。）

1867年11月9日（慶応3年旧暦10月14日）の徳川慶喜による大政奉還と1868年1月3日（慶応3年旧暦12月9日）の王政復古のクーデターによって江戸幕府が崩壊し、同年5月3日（慶応4年（明治元年）旧暦4月11日）の江戸城開城によって江戸は新政府の支配下に入った。6月30日（旧暦5月11日）、新政府は江戸府を設置し、9月3日（旧暦7月17日）に江戸が東亰（後に東京）と改称されると、江戸府も東京府と改称された。1869年に明治天皇が皇居（旧の江戸城）に入ると、名実共に、東京は近代日本の首都となった（首都を京都から東京へ移す遷都令はなく、東京を首都とする法的根拠もない、という意見もある）。

全国から新政府に仕える人々が集まり、多くは皇居周辺（後世の山手線内側）に住んだ。これが山の手族の起源である。また、築地には外国人居留地が設けられ、銀座には西洋風の煉瓦街が作られて、文明開化が進んだ。1871年8月29日（旧暦7月14日）の廃藩置県後、同年12月25日（旧暦11月14日）に東京府は隣接する品川県および小菅県などを合併して、現在の特別区（23区）部のうち世田谷区西部を除いた区域を管轄する東京府が発足し、東京は府庁所在地となった（ただし、実際に管轄区域が確定したのは翌1872年）。そして、1889年には市制施行で東京市が発足した。

大正期に入ると、東京市への人口流入は更に進み、1920年の人口は370万人になったが、1923年9月1日には関東大震災に襲われ、特に下町が大打撃を受け、一時、面積が半分程度の大阪市の人口が東京市を抜くことにもなった。近衛文麿政権に入る前までは、大阪が日本の経済・産業・文化・芸術の中心的な地位にあったが、近衛文麿以後の政権が戦時体制を敷いて、経済・産業・文化・芸術・教育、その他あらゆる分野の中枢を東京に集めた。

第二次世界大戦中の1943年7月1日には、東京市と東京府は廃止され、東京都が設置された。初代東京都長官は、内務省出身の大達茂雄であった。そして、第二次世界大戦末期の1945年3月10日には、東京大空襲によって市街地の大半が焼け野原と化した。小笠原諸島の硫黄島で地上戦が行われ、日米両軍に多大な犠牲を払った戦いであった。