戦国時代には小田原城を拠点とする戦国大名北条氏が旧支配勢力を滅ぼし、関東の覇者として不動の地位を固めた。後北条氏の優れた統治のもと、小田原は関東最大の都市(城下町)に成長した。独自に日本国外と交易を行い、城下に唐人町を抱え、3代当主北条氏康によって日本で初めての水道である小田原早川上水が建造されるなど、当時「西の山口、東の小田原」と謳われた程国内でも発展した都市の一つとなっていた。
近世小田原・小田原城

江戸時代には小田原藩が存在したが、旗本領も多く、三浦按針（ウィリアム・アダムス）が徳川家康から三浦半島に領地を拝領したことは有名である。江戸時代中期以降、現県域内に本拠を置いたのは小田原藩のほかに同藩の支藩である荻野山中藩および武蔵金沢藩（六浦藩）があり、ほかに県域外に本拠を置く藩（烏山藩、佐倉藩、西大平藩など）の飛地が多く配された。小田原藩は相模川以西にある程度まとまった所領を有していたが（全域を領していたわけではない）、特に相模川以東では幕府領・旗本領・大名領のいずれについても支配が細分されて相給とされる村が極めて多く、現県域内において地域的なまとまりを醸成するような一円的な支配は行われなかった。

江戸時代初期には徳川家康が好んで鷹狩りを行い、小杉御殿（現在の川崎市中原区）、神奈川御殿（横浜市）、藤沢御殿（現在の藤沢市）、中原御殿（現在の平塚市）などの将軍滞在所が置かれた。これらの御殿の使用は3代将軍徳川家光の代まで行われ、一時廃れたが、8代将軍徳川吉宗の代に復活した。

19世紀の初頭から外国船（いわゆる「黒船」）が日本近海に現れるようになり、日本の開国を求めてきた。中には武力で「開国・開港」を迫る国もあった。沿岸地域の警備が政治問題となり、神奈川県下では会津藩が文化7年（1810年）から観音崎・西浦賀・三崎での台場や陣屋の建設に着手した。これらの陣屋には会津藩士が常駐し、軍事訓練を行った。有事には沿岸の村々から漁船・荷物船を徴発する体制が作られた。その後も黒船の来航は止まず、文政元年（1818年）5月にはイギリス船が、同5年（1822年）にはイギリス捕鯨船が洲崎沖（千葉県）、天保8年（1837年）6月にはアメリカ商船モリソン号が浦賀沖に来航した。これら相次ぐ黒船の来航に、警備が強化されるとともに、非常時には沿岸の村々の人々を広く動員することが決められ、名主や村役人が警備担当者を分担することとなり、江戸湾の周囲の地域は防備の最前線に立たされることとなっていった。弘化3年（1846年）5月、アメリカのビットル艦隊が江戸湾内に来航したときには延べにして船3000隻以上、農漁民4万人以上が防備に徴発・動員された[23]。
幕末ペリー提督横浜上陸の図(ヴィルヘルム・ハイネ作)

江戸幕府は安政5年（1858年）の日米修好通商条約、日英修好通商条約（安政五カ国条約）で「神奈川」を開港場とすることを約したが、繁華な場所への外国人の雑居により攘夷騒動などのトラブルが起こることを懸念し、出入りの管理が容易で街道筋から離れた対岸の横浜村（現在の神奈川県庁付近）に開港場を開設した。これは条約違反であったが、幕府は横浜は神奈川に含まれると強弁した[24]。当初、欧米列国は条約違反を主張していたものの、この外交論争は間もなく終息する。横浜の港湾設備その他の施設が充実していくにつれて、神奈川宿は衰退し、横浜が発展し始めたためである。

安政6年（1859年）、安政五カ国条約に基づき開港場とされた横浜と近傍区域（神奈川宿、程ヶ谷宿、本牧、根岸など）の行政を担当する神奈川奉行が設けられ、神奈川奉行所が武蔵国久良岐郡戸部村（横浜市西区紅葉ヶ丘、神奈川県立図書館付近）に、関内の現在神奈川県庁が建つ位置（横浜市中区日本大通）には神奈川運上所（横浜税関の前身）が置かれた。神奈川奉行は横浜周辺の行政とともに、条約で「横浜から十里四方」とされた居留外国人の遊歩区域に関する事務も管掌した。
近・現代横浜港の横浜赤レンガ倉庫

慶応4年（明治元年）3月19日（1868年4月11日）に神奈川奉行所の戸部役場（内務担当）、神奈川運上所（外務担当）は新政府軍に接収されて横浜裁判所となり[25]、次いで同年4月20日（5月12日）には横浜裁判所が改称されて神奈川裁判所となり、その下に戸部裁判所（内務担当）、横浜裁判所（外務担当）が設置される形となった[26]。さらに、同年6月17日（8月5日）には神奈川府となり[27]、同年9月21日（11月5日）に神奈川県に改称された[28]。寺島宗則が神奈川県の知県事に任命された。半年余のうちに4度も機構変革・改称が行われたことになる。なお、神奈川県史では横浜裁判所が設置された慶応4年3月19日（1868年4月11日）を「立庁記念日」としている[29]。