早慶戦などで収容能力に不足が見られたため、1931年（昭和6年）には東京六大学野球連盟が工費55万円を負担して内野・外野スタンドを増築、球場正面を除いて外形が現在の形となった。収容人員は29,000人[4] から58,000人（松内則三の実況アナウンスでは「6万の観衆、内野外野のスタンドに詰めかけまして」という表現が見られる）[5] に増えている。東京六大学はこの年からリーグ戦の全試合を神宮球場で開催するようになり、1932年（昭和7年）には東都大学野球連盟のリーグ戦も開催され始めた。

建設の経緯、および明治神宮が管理運営するというスタイルから、戦前は「アマチュア野球の聖地」とされ、プロ野球の使用は論外という雰囲気があった。読売新聞社長の正力松太郎は「将来プロにする」ということを伏せて全日本チーム（後に読売ジャイアンツとなる）を組織し、1934年（昭和9年）に米国メジャーリーグの招待試合を神宮球場で開催した。正力は翌年2月に右翼に切りつけられる事件に見舞われたが、犯人が取り調べで述べた動機には「読売がアメリカの野球チームを招き神聖な神宮球場を使ったこと」が、天皇機関説支持とともに挙げられている。
第二次世界大戦前後

日中戦争勃発後の1938年（昭和13年）には都市対抗野球大会が完成直後の後楽園球場に会場を移し、さらに1943年（昭和18年）には太平洋戦争の激化により文部省からの通達で、東京六大学と東都は共に解散となってしまった。1945年（昭和20年）5月には、アメリカ軍による東京大空襲（山の手大空襲）によって被災し、火災によって一部が崩れ落ちた。

日本の敗戦後には、日本占領軍であるアメリカ軍により接収され、連合国軍専用球場として 「Stateside Park（ステイトサイド・パーク）」の名称で使用された。

それでも終戦年である1945年（昭和20年）には日本人の使用にも開放され、東京六大学OB紅白試合、オール早慶戦、職業野球東西対抗戦などが行われた。このうち、東西対抗戦はプロ野球発足後に当球場で初めて開催されたプロの試合である。1946年（昭和21年）からは東京六大学と東都が復活、春季は神宮球場での試合は認められなかったが秋季から一部の試合で開放されている。帝国主義者を養成してきた東京大学に球場を使用させないというのも接収が1952年まで続いた理由の1つであった[要出典]。

1946年（昭和21年）5月から6月にかけ連合国軍により修復工事が行われ、照明設備が新たに設置され内野にも天然芝が敷かれている。この時期には球場初のプロ野球公式戦、全日本大学野球選手権大会の前身である大学野球王座決定戦、第1回目のプロ野球日本選手権シリーズ第1戦（当時の呼称は「日本ワールドシリーズ」）などが開催されている。東京六大学は上井草球場などと併用してリーグ戦を行っていたが、1950年（昭和25年）秋季より全試合での開催を認められている。ただし連合国軍による接収が解除されて明治神宮に返還されたのは、サンフランシスコ条約の発効間近である1952年（昭和27年）3月のこと。
プロ野球球団の本拠地へ

連合国軍による接収解除後は内野天然芝と照明が撤去され、バックネット裏前列に1953年（昭和28年）から放送が開始されたテレビ放送席が新設されている。1962年には相撲場跡地に第2球場が完成した。

1962年（昭和37年）からは閉鎖される駒澤野球場の代わりとして東映フライヤーズ（現：北海道日本ハムファイターズ）が使用を開始し、次いで1964年（昭和39年）に後楽園球場から国鉄スワローズ（現：東京ヤクルトスワローズ）が、東映と入れ替わるように移転している。これらの動きには学生野球界は強く反対したものの、結局は認められた（詳細は後述）。
相次ぐ改修

東映の使用開始時の1962年にはバックネット裏の増築、ナイター設備新設（上述の通り米軍接収時代以来の復活）、ラッキーゾーンの設置といったプロ基準に合わせる改修が施された。さらに1967年（昭和42年）にはホームベースを動かすなど当時の標準的な球場に近づける大改修が行われた。その後幾たびも改修が重ねられ、個別座席・人工芝グラウンド・照明塔・電光スコアボードなどが取り入れられている。

収益を優先する観点から、1981年に一度は廃止されたフェンス広告をのちに再開した。またコンサートなど大型イベントの開催も行うなどの動きもある。

収益の高いプロ野球を人気の低下が見られる学生野球より優先しようとする意見もあるが、優先度の変化のみで学生野球優先の方針は維持されたまま現在に至っている（詳細は後述）。2007年（平成19年）11月24日からは大規模な改修工事を実施し、2008年（平成20年）3月6日に竣工式が行われた。スコアボードの全面フルカラーフリーボード化やフィールドの拡張、ロングパイル人工芝への張替えなどを行った。総工費は約15億円。

2011年（平成23年）シーズンからボールカウントの表示方式を、日本国内で旧来使用されていた「SBO」（上からストライク、ボール、アウト）順から、国際ルールに則した「BSO」順に変更した。当球場のカウント表示はコンピューターグラフィックスを使用しているため（後述）表示部分（ハードウェア）の改修は必要なく、ソフトウェアの更新などで対応した。同年には内野席に、2013年には外野席にウッドデッキ調の特別席が設置された。

2013年オフからは3年計画でスタンドの老朽箇所の改修と、耐震補強工事を実施した[6]。施工業者は安藤ハザマ。工事は継続的に野球の試合に利用できるようにするため、シーズンオフ（年度下半期）のみに限定し、2016年3月の完全竣工時に耐震改修促進法に基づく耐震認定の検定を受けた。第1期（2013年度）は内野正面スタンド部（屋根を除く）、第2期（2014年度）は1・3塁側内野スタンドと正面スタンドの屋根、第3期（2015年度）は外野席の改修を行なった。また外壁の改修は耐震補強工事に従って順次行なった。正面スタンドは一部が耐震補強壁となることから歴史性を忍ばせ、耐久性に優れたレンガ素材を壁面に採用した。正面スタンドの大屋根は鉄製からテフロン製テント膜に変更された。

また正面スタンドの大屋根は現在の鉄骨骨組を補強した際は、2階席から視界が遮られてしまうので、鉄骨の骨組みを盛替えて改修した。屋根の軽量化を図るためにこれまで使用していた鉄板からテフロン膜を使用することで、最小限の構造部材で組み上げられるような形状とした。
建て替え計画ウィキニュースに関連記事があります。

明治神宮球場と秩父宮ラグビー場を全面建て替えへ 2020年東京五輪終了後にも

現球場は築90年を超え、老朽化や耐震補強が課題となっており、上記の通り2013年から3年計画による工事を実施（上述以外では2015年、2023年に人工芝の張替を施工）しているが、2013年ごろから、東京都が2021年から神宮外苑の再開発を行う構想を打ち出している[7]と、複数の報道機関が報じた。この報道がなされた2013年現在はまだ地権者との話し合いが行われている段階だった。

2015年4月1日、2020年東京オリンピック・パラリンピックの開催後に、明治神宮外苑をスポーツの聖地とするための再開発を進める一環として、近接の秩父宮ラグビー場（区境を跨ぎ港区にある）との土地交換で新球場を建設する計画を明らかにした。

計画案としては、まず東京大会前までに現ラグビー場を撤去・解体し、開催期間中は暫定的に駐車場として利用する。大会終了後、正式に新球場の建設工事に取り掛かり、完成後に現在の神宮球場を撤去・解体し、跡地に新ラグビー場を建設する方針とされた[8]。

また第二球場についても、再開発をするにあたり解体する予定で、工事中も野球・ラグビーなどが滞りなく、可能な限り開催できるようにすべく、新たな球技場の建設を予定している[9]。

その後、2017年7月に当初の計画案から順番を入れ替えた形で秩父宮ラグビー場、神宮球場の順に建て替える方向で調整が進められていることが明らかになった[10]。

2019年2月25日に神宮球場を所有する明治神宮、秩父宮ラグビー場を所有する日本スポーツ振興センター、伊藤忠商事、三井不動産の4者で神宮球場と秩父宮ラグビー場の場所を入れ替えて整備する神宮外苑地区の再開発の基本協定を締結。2022年5月19日には「神宮外苑まちづくり」プロジェクトが発足した[11]。

まず神宮第二球場を解体し、非開放のドーム型で遮音性を持つ人工芝の新たなラグビー場の建設を開始する[12]。南面を除くラグビー場の工事が一旦完了した後に、現在の秩父宮ラグビー場を解体し、その跡地に新たな野球場を建設。新球場は2031年に完成し、2032年の利用開始を予定している[13]。現在の神宮球場を取り壊した後は、防災拠点として芝生などを敷きつめた中央広場を設け、広場に面したラグビー場の南面の整備を行い、工事が完了する。

伊藤忠商事東京本社ビルは取り壊し、新しい野球場の左右に高さ190mの高層ビルを2棟建設し、宿泊施設も入居する。テニスコートは絵画館の南側に集約し、これにより明治神宮外苑軟式グラウンドは廃止となり、神宮第二球場の解体と共に「草野球の聖地」としての役割は終わる見込みとなった[14]。