בתקופת המדינה ידעה העיר שינויים רבים בהתפתחותה. מפריחה וגדילה מואצת בשנות ה-50, דרך עזיבת העסקים והסטת מוקד המגורים אל הפרברים משנות השישים עד לשלהי שנות השמונים, ובשנים האחרונות פריחה מחודשת.
בשנת 1963 הגיעה אוכלוסיית תל אביב לשיא גודלה (394,400 איש), מאז החלה תופעה של צמצום מספר התושבים, שהגיעה לשיאה בשנת 1988, כשנספרו בעיר 317,800 תושבים. בשנת 1975 איבדה תל אביב את מקומה כעיר המאוכלסת בישראל לטובת ירושלים. מ-1989 ניכרת תופעה של גידול במספר התושבים, הנובעת מקליטת גל העלייה של ראשית שנות התשעים ומתופעה של חזרה לעיר, ובשנת 2016 חיו בה 438,818 תושבים.
מלחמת העצמאות והשפעותיה.
לאחר קבלת תוכנית החלוקה על ידי האו"ם, הפכו גילויי האיבה בין היהודים והערבים למלחמת העצמאות. בין הקורבנות הראשונים של המלחמה היה סוחר תל אביבי שנרצח ברחוב סלמה ביפו, ב-30 בנובמבר 1947. תל אביב הייתה למרכז השטח היהודי על פי תוכנית החלוקה, בה התגוררו 230,000 יהודים, ובניגוד לערים אחרות, לא הייתה "מעורבת", ולא עמדה בסכנה של מצור או ניתוק. עם זאת תל אביב הייתה מוקפת מכל עבריה בכפרים ערבים עוינים, ומדרום לה הייתה את יפו, שהיוותה מובלעת של שטח ערבי ברצף השטח היהודי על פי תוכנית החלוקה. על הדרכים היוצאות מתל אביב שלטו כפרים ערבים כיאזור וסלמה, והתחבורה הפכה לשדה קרב. פרט למתקפות מאורגנות על שכונות הספר כשכונת התקווה שהותקפה בדצמבר 1947 על ידי תושבי הכפר סלמה, סבלו תושבי העיר מצלפים שהתמקמו בשטחים שולטים כמסגד חסן בק וגבו עשרות קורבנות.
באפריל 1948 תכננה ההגנה את מבצע חמץ בו ייכבשו הכפרים הערבים העוינים, דרכי התחבורה ייפתחו, ויפו תכותר. במקביל, ובניגוד לתוכנית, גייס האצ"ל את כל הכוחות שעמדו לרשותו במרחב השפלה ותקף את יפו. הקרב על יפו נמשך כשלושה ימים, כנגד כוחות ערבים ובריטים. לוחמי האצ"ל קנו מאחז בעיר, בשכונת מנשייה, אך לא עלה בידם לכבוש את העיר כולה. לאחר ביצוע מבצע חמץ, שאכן הצליח בכיתור יפו ובכיבוש הכפרים שמסביבה, נמלטו רוב תושבי יפו הערבים, והעיר נכנעה ב-13 במאי 1948.
ב-14 במאי 1948 הוכרז בתל אביב על הקמת מדינת ישראל, בבית דיזנגוף שבשדרות רוטשילד 16, ביתו של ראש העיר מאיר דיזנגוף, אשר שימש לאחר קום מדינת ישראל כמשכנו הראשון של מוזיאון תל אביב וכיום שוכן בו מוזיאון בית העצמאות.
לאחר פלישת צבאות ערב לארץ ישראל הופצצה העיר מספר פעמים על ידי מטוסים של חיל האוויר המצרי, והותקפה מן האוויר ומן הים. בין ההפצצות הייתה הפצצה אווירית על התחנה המרכזית, שעלתה בחיי 42 איש. חיל האוויר הצעיר, הצליח, בקרבות אוויר שנערכו ב-3 ביוני וב-4 ביוני 1948 להדוף את התוקפים ולהוכיח את יכולתו. בתקופת ההפוגה הראשונה הגיעה לסיומה בחופי העיר פרשת אוניית הנשק אלטלנה.
באותה עת הייתה ירושלים נצורה ומנותקת, ולפיכך בינתיים שימשה תל אביב כמושב השלטון ובה פעלו הממשלה והכנסת. ישיבות הכנסת הראשונות שנפתחו בירושלים הועברו לתל אביב אל בית האופרה הישן ברחוב הרברט סמואל, במקום בו שוכן היום מגדל האופרה. רק בסוף שנת 1949 הוכרזה ירושלים כבירת ישראל, והכנסת שבה אליה. במהלך המלחמה שימשה תל אביב כזירה להשבעת צה"ל, טקס שנערך ביוני 1948 וסימן את הקמת הצבא החדש, ולמצעדי צה"ל.
עד לשנת 1948 שכנו סביב העיר כמה כפרים ערבים. הגדולים שבהם: סומייל (אל-מסעודייה), סלמה ושייח מוניס. במהלך קרבות מלחמת העצמאות ננטשו הכפרים, וזמן קצר לאחר המלחמה סופחו המבנים והשטח שלהם לתל אביב. כבר במהלך מלחמת העצמאות סופחו לתל אביב השכונות היהודיות שהיו תחת שיפוטה של עיריית יפו, וב-4 באוקטובר 1949 החליטה ממשלת ישראל לאחד את תל אביב ויפו. באוקטובר 1949 הושלם המהלך והעיר שינתה את שמה ל-"תל אביב-יפו". מרבית תושביה הערבים של יפו נטשו אותה בזמן מלחמת העצמאות. כיום חיים בה 20,000 ערבים ישראלים, רובם צאצאי הערבים שנותרו בעיר למרות המלחמה. בשנותיה הראשונות של המדינה קלטה יפו עולים חדשים רבים, וכיום מרבית תושבי יפו הם יהודים. בתל אביב נמשכה בנייה נרחבת לכל הכיוונים, עד שנוצרה רציפות של שטח בנוי בינה לבין הערים שבסביבתה. נותר לה רק כיוון אחד - צפונה, מעבר לירקון. השכונה הראשונה שהוקמה שם, סמוך לכינונה של מדינת ישראל, הייתה רמת אביב. בעקבותיה נבנו עוד ועוד שכונות באזור זה ומצפון וממזרח לו המכונות שכונות עבר הירקון.
שנות החמישים.
בראשית שנות ה-50 הורחבו שטחי העיר לתחום הקרוב לתחומה הנוכחי, לאחר שסופחו שטחים בעיקר במזרח העיר ובצפון שמעבר לירקון. למרות שתוכננו חגורות ירק בין העיר לפרבריה, לקראת סוף העשור נוצר רצף של שטח בנוי בין העיר ופרבריה (שגם התפתחו מאוד בתקופה זו), כך שקשה להבחין בגבולות העיר. בעקבות זאת התחילו להשתמש במושג "גוש דן" לתיאור העיר יחד עם הערים והפרברים שסביבה.
בראשית העשור החל הצבא להתמקם בשטחי המושבה הטמפלרית הנטושה שרונה, שסופחה לעיר, ולקראת אמצע העשור גודר חלקה הצפוני והפך למתחם צבאי סגור, בסיס הקריה. בחלקה הדרומי של המושבה התמקמו רוב משרדי הממשלה.
בעשור זה הושם דגש על שיפור תשתיות, בעיקר ציפוי כבישים באספלט ובניית שכונות בשטחי העיר החדשים. מנגד, התשתיות בשכונות הוותיקות החלו להתישן. בשנת 1958 הוקם ברחוב בן-יהודה בניין המגורים הראשון הגבוה מארבע קומות. בעשור זה קלטה העיר עולים רבים, אשר הופנו תחילה ליפו ולכפרים ערבים נטושים בעיר, אשר הפכו לשכונות מצוקה. כדי להקל על קליטת העלייה, הקימה העירייה מפעלי רווחה. ב-1953 נחנכה מסילת החוף שחיברה את תל אביב לחיפה, וכעבור שנה נחנכה תחנת הרכבת תל אביב מרכז, וזאת נוסף למסילות הדרום שיצאו מתחנת הרכבת ליד בית הדר. שתי מסילות אלה חוברו יחדיו באפיק נחל איילון רק בסוף שנות ה-80.
בעשור זה גם הוקמו מוסדות תרבות חשובים כמו היכל התרבות, מוזיאון ארץ ישראל, ומוזיאון תל אביב הורחב כשנבנה בניין הלנה רובינשטיין, ונבנו בתי קולנוע רבים. מסורת העדלאידע חודשה בפורים 1955 ונמשכה למעלה מעשור.
גם החינוך זכה לתנופה בעשור זה: הורחבה רשת בתי הספר העירוניים, ומועצת העיר החליטה להקים בעיר אוניברסיטה, למרות התנגדות משרד החינוך, שרצה שאוניברסיטאות יוקמו רק באזורי הפריפריה. האוניברסיטה הוקמה על בסיס מכוני מחקר קיימים שפעלו בשכונת אבו כביר, ובשנות השישים הוקם הקמפוס ברמת אביב.
דעיכתו של רחוב אלנבי כרחוב המסחרי המרכזי החלה בתקופה זאת, ומנגד פריחתו של רחוב דיזנגוף הגיעה לשיאה. חופי העיר והטיילת המשיכו בדעיכתם, והציבור הדיר משם את רגליו. בעקבות זיהום מי הים, הוקמה בריכת גורדון ששאבה את מימיה מעומק הים. למרות דעיכת חופי העיר, הוקמו בסמוך בתי מלון גדולים דוגמת מלון דן שהיה הראשון להתייצב על קו החוף ואחריו גם מלון שרתון (הישן) ומלון הילטון תל אביב.
בעשור זה הוקמו מספר גנים גדולים, דוגמת גן העצמאות וגן התקווה, ואף הוחל בנטיעת פארק הירקון (אם כי זו הייתה נטיעה סמלית, ופיתוח הפארק הוחל באופן מעשי לקראת סוף שנות השישים), אולם מאידך בוטלו התוכניות להקיף את העיר בחגורות ירק. בשנת 1955 הוחל בשאיבת מי הירקון, מה שגרם להפיכתו של הנחל בפועל לתעלת מי שפכים, שגרמה למפגעי תברואה כבדים בשכונות הסמוכות.
לקראת סוף שנות החמישים נהרס בניין הגימנסיה הרצליה ברחוב הרצל והוחל בבניית מגדל שלום. בשנת 1959 נערכו חגיגות מפוארות ליובל החמישים לעיר. כחלק מהחגיגות עלה בגני התערוכה (שהחליפו את מתחם יריד המזרח) המופע "תל אביב הקטנה" ששיחזר את השנים הראשונות של העיר וזכה להצלחה רבה. באותה שנה התקיימו בחירות לעירייה, ולראשונה מאז 1928 איבד הגוש האזרחי (הציונים הכלליים) את השליטה בעיר לטובת מפא"י.
שנות השישים.
שנות ה-60 התאפיינו במגמה של הזדקנות תושבי העיר ובירידה מתמשכת במספר תושבי העיר החל מהשיא בשנת 1963. בתי מגורים רבים במרכז העיר הוסבו לבנייני משרדים. גם תשתיות העיר, במיוחד בדרומה ובמרכזה התיישנו והתבלו. בעשור זה נמשכה הבנייה בעיקר בצפון העיר ובשכונות עבר הירקון, וכן הוחל בפינוי ובהריסת שכונות מצוקה (דוגמת נורדיה, מחלול, מנשייה ויפו העתיקה) ובניית שיכונים למפונים. רוב השיכונים למפונים נבנו ביפו ובדרום העיר (דוגמת יפו ג' וקריית שלום), ומצפון לירקון נבנתה שכונת נווה שרת.
חלק ממיזמי פינוי תושבי שכונות המצוקה והריסתם היוו חלק מתוכניות פיתוח ולא רק בשל מצוקת דיור. כך למשל התוכניות להריסת יפו העתיקה ולבנייתה מחדש כשכונה מודרנית נגנזו בראשית העשור. לחלופין גובשה תוכנית שהתבססה על שיקום ושימור האזור תוך הפיכתו לרובע אמנים, ועל פיתוח גנים וכיכרות בשטחים הפתוחים. הוקמה החברה לפיתוח יפו העתיקה לצורך ביצוע הפרויקט וניהולו. בשנת 1965 הושלם פינוי תושבי האזור והחלו עבודות השיקום, שהושלמו בשנות השבעים.
בדומה לכך, הוכנו תוכניות לפיתוח ולשיקום חופי העיר, שסבלו מהזנחה ומזיהומים, ולהפיכתם שוב למרכזי בילוי נופש ותיירות. כדי לקדם את התוכניות הוקמה החברה העירונית אתרים. עם זאת העבודות בשטח החלו רק בעשור הבא, למעט פינוי שכונת מחלול. פרויקט נוסף שקודם בעשור זה היה פינוי והריסת שכונת מנשייה (החל משנת 1963) לצורך בניית שלוחה חדשה של מע"ר העיר באזור זה.
בשנת 1961 נחנך בית החולים העירוני איכלוב שהחל להיבנות ב-1951 והורחבו שירותי הרווחה. למרות שהעשור אופיין בהצטמצמות האוכלוסייה, העירייה הגדילה את השקעתה בתחום החינוך. בתי ספר וגני ילדים חדשים נבנו, ובשנת 1969 תל אביב הייתה העיר הראשונה שהחלה ליישם את רפורמת חטיבות הביניים (מהלך שהושלם ב-1975). כן נמשכה בעשור זה התפתחותה של אוניברסיטת תל אביב.