1899年（明治32年）の居留地制度廃止に伴って公園は横浜市へ返還され、運動場の貸与期限は1909年（明治42年）に満了した。翌1910年（明治43年）にかけて、宮内省技師の茂出木朝二郎の設計による改修が実施された。日本における野球人気は確固たるものとなっており、公園中央のクリケットグラウンドは姿を消し、公園南東隅に野球場が建設された[6]。

1921年（大正10年）6月には横浜市内初の公立図書館として、園内の図書館建設事務所内に「横浜市立図書館仮閲覧所」を開設するも、1923年（大正12年）9月1日に関東大震災で全焼し、1926年（大正15年）3月20日に再建。1927年7月に野毛坂の旧老松小学校跡（現：横浜市中央図書館）に移転した[12]。

関東大震災では、横浜公園は避難所となり、また焼失した諸官公庁の仮庁舎が置かれるなどした。横浜市震災復興計画に基づき、横浜公園の復興工事が1925年（大正14年）4月18日に起工し、1929年（昭和4年）3月28日に竣工した。この工事で公園南東隅に横浜公園運動場（名称は運動場だが形状は野球場）、公園北西隅に横浜公園音楽堂（野外音楽堂）がそれぞれ建設された[6]。同年4月23日、昭和天皇による復興状況視察があり、公園内で奉迎式が行われた[13]。

1936年（昭和11年）11月には公園内の横浜市から無償貸与された敷地に神奈川県立武道館（神奈川県学務部所管）が開館した。

太平洋戦争後はアメリカ合衆国により、公園内の「フライヤー体育館」（FAC3618、接収期間:1952年7月26日[14]-1953年11月12日[15]）および「横浜チヤペルセンター」（FAC3672、接収期間：1952年7月26日[14]-1978年6月19日[16]）が接収された。

横浜公園運動場（野球場）はGHQ接収期間中にルー・ゲーリック・メモリアル・スタジアムと改称され、接収解除後の1955年（昭和30年）に当時の平沼亮三横浜市長によって横浜公園平和野球場と改称された。以後、平和球場と通称され、プロ・アマ、大人・子供を問わない野球の親善交流試合が数多く行われた。

1953年（昭和28年）5月26日に条件つきで伊勢佐木町のアメリカ軍体育館フライヤージムの公園内移転が決まり[17]、同年12月20日にフライヤージム落成式が挙行され[17]、これを大改修して[18]、1958年（昭和33年）12月23日に横浜公園体育館が敷地内に完成した[17]。

1978年（昭和53年）、老朽化した平和球場や敷地内にあった神奈川県立武道館や横浜公園体育館などを取り壊して横浜スタジアムが建設され、また園内の老朽化した施設を更新して日本庭園や水場をあしらったモニュメント広場が整備された。公園内にあった神奈川県立武道館は岸根公園内（横浜市港北区）に移転した。横浜公園音楽堂も同時に取り壊されており、横浜スタジアムは野外音楽堂の代替施設も兼ねている。横浜公園のチューリップ

1997年（平成9年）、チューリップが横浜市中区の区花に指定されたのを期に、市民の手によって公園内にチューリップが植えられ、春先は「チューリップの咲く公園」としても有名になった。