מסוף המאה ה-14 ועד סוף המאה ה-18 הייתה טביליסי תחת שליטה זרה ואף נשרפה לאפר מספר פעמים. בשנת 1386 נכבשה ונבזזה על ידי טימור לנג ומספר פעמים נוספות במהלך הפלישות הטימוריות לגאורגיה. בשנת 1444 נכבשה העיר ונבזזה על ידי מוזפאר אלדין ג'יהאן שאה , השאה של תבריז ומנהיג הקראקויונלו. בשנים 1477–1478 נכבשה טביליסי על ידי אוזון האסן, סולטאן האק קויונלו. בשנת 1522 נכבשה טביליסי בידי האימפריה הספווית, אולם שוחררה מאוחר יותר על ידי דוד העשירי מלך ממלכת כארתלי. בתקופת שלטונו נבנו מחדש ושוקמו חלקים רבים של העיר. החל מהמאות ה-17 וה-18 הפכה טביליסי שוב למטרה נחשקת על ידי העות'מאנים והפרסים הקג'ארים. ארקלה השני, מלך ממלכת כארתלי-קאחתי, ניסה מספר פעמים ואף הצליח לשחרר את טביליסי מידי הפרסים, בראשותו של מוחמד ח'אן קג'אר (محمد خان قاجار), אולם בסופו של דבר, למרות הברית שכרת ארקלה עם הרוסים, נשרפה העיר לאפר בשנת 1795 בתום קרב עקוב מדם. תוצאת הקרב הובילה להרס מוחלט של טביליסי, ורבים מתושביה נהרגו בקרבות רחוב. אלפי פליטים נמלטו למחוזות אחרים של המדינה.
תחת שליטת האימפריה הרוסית.
בשנת 1801, לאחר שמלך כארתלי-קאחתי הצטרף לאימפריה הרוסית, הפכה טביליסי למרכז המנהלתי של פלך טביליסי ולבירת מלכות המשנה של הקווקז. מתקופה זו החלה טביליסי להתפתח פוליטית וכלכלית. מבנים חדשים, רובם בסגנון אירופאי, החלו להופיע בעיר. כבישים חדשים ומסילת ברזל חדשה קישרו את טביליסי לערים האחרות של רוסיה, ולערים אחרות בעבר הקווקז, כמו בתומי, פותי, באקו וירוואן. עד שנות ה-50 של המאה ה-19 הפכה טביליסי שוב לעיר מסחר ראשית ולמרכז תרבותי של כל עבר הקווקז. הייתה זו העיר המועדפת על ידי איליה צ'בצ'בדזה, אקקי צרתלי, יעקב גוגבשווילי ואלכסנדר גריבוידוב וכן על ידי מדינאים, משוררים, ואמנים אחרים, אשר פעלו בטביליסי.
בין המבקרים הרבים בטביליסי, שהביעו ביצירותיהם את החיבה שרחשו לה, היו אלכסנדר פושקין, לב טולסטוי, מיכאיל לרמונטוב, משפחת רומנוב ואחרים. משפחת רומנוב ייסדה בטביליסי את מושבה הטרנס-קווקזי ברחוב גולובאני (כיום שדרות רוסתוולי).
במהלך המאה ה-19 מילאה טביליסי, על הגיוון התרבותי שבה, תפקיד חשוב מבחינה פוליטית, כלכלית, ותרבותית לא רק עבור גאורגיה אלא עבור כל הקווקז. טביליסי השתנתה לגמרי, נבנו בה מונומנטים אדריכליים שונים, והיא קיבלה תכונות של עיר בינלאומית, בד בבד עם פולקלור עירוני, עגה מקומית ותרבות ייחודית שנקראה "טבּיליסוּרי" (מילולית: "השייך לטביליסי").
עצמאות 1918–1921.
לאחר מהפכת אוקטובר בשנת 1917 הפכה טביליסי לבירת מדינה טרנס-קווקזית זמנית שנוסדה באביב 1918, הרפובליקה הדמוקרטית הפדרלית של עבר הקווקז. המדינה לא החזיקה מעמד זמן רב, וב-26 במאי 1918 הכריזה גאורגיה, בארמון הנציב העליון של מלכות המשנה של הקווקז, על עצמאותה בנפרד והקמתה של הרפובליקה הדמוקרטית של גאורגיה. יומיים לאחר מכן הכריזו ארמניה ואזרבייג'ן על עצמאותן באותו המקום בטביליסי, ועל הקמתן של הרפובליקות המוקדמות של ארמניה ואזרבייג'ן. מ-26 במאי 1918 הפכה טביליסי לבירתה של הרפובליקה הדמוקרטית של גאורגיה עד 25 בפברואר 1921. בתקופה זו, במשך השנים 1918–1919, שכנה בטביליסי מפקדה צבאית גרמנית ולאחר מכן מפקדה צבאית בריטית.
תחת השלטון הגאורגי הפכה טביליסי לעיר האוניברסיטאית הראשונה בקווקז, לאחר שהוקמה בה, ב-8 בפברואר 1918, האוניברסיטה הממלכתית של טביליסי. היה בכך משום הגשמת חלומם הישן של הגאורגים, שכן נאסר עליהם להקימה בתקופת האימפריה. ב-25 בפברואר 1921 פלשו הסובייטים לגאורגיה, כבשו את טביליסי לאחר קרבות קשים, והכריזו על שלטון סובייטי.
תחת השלטון הקומוניסטי.
עם כיבושה של גאורגיה בידי הסובייטים ועד שנת 1936 הפכה טביליסי לבירתה של הרפובליקה הסובייטית הפדרלית הסוציאליסטית עבר-הקווקז, רפובליקה שכללה את מדינות עבר הקווקז, ואחריה הייתה לבירת הרפובליקה הסובייטית הסוציאליסטית של גאורגיה. בתקופת השלטון הסובייטי גדלה אוכלוסיית טביליסי משמעותית, העיר הפכה למתועשת, זכתה לחשיבות פוליטית וחברתית והייתה למרכז תרבותי בברית המועצות. בשנת 1980 נערך בה פסטיבל הרוק הראשון בברית המועצות.
בשנת 1956 התרחשו בטביליסי הפגנות אנטי-רוסיות גדולות שהסתיימו בטבח. 20 שנה מאוחר יותר נערכו הפגנות למניעת ביטול השפה הגאורגית כשפה הרשמית של המדינה, שהסתיימו, לאחר מעורבותו של אדוארד שוורדנדזה, בהתקפלות רוסית, ובשנת 1989 נערכו הפגנות שנסתיימו בטבח המפגינים והביאו בסופו של דבר, שנתיים לאחר מכן, להכרזה על הקמת המדינה ביום הזיכרון לטבח.
עצמאות גאורגיה.
עם התפרקות ברית המועצות עברה על העיר תקופה של חוסר יציבות ומבוכה. לאחר מלחמת אזרחים קצרה סבלה העיר, במשך שבועיים בדצמבר 1991-ינואר 1992, כאשר כוחות האופוזיציה של תומכי הנשיא המודח זוויאד גמסחורדיה התנגשו אלה באלה. לאחר מכן הפכה טביליסי לזירה לעימותים חמושים תכופים בין קבוצות מאפיה שונות ויוזמות לא-חוקיות של אנשי עסקים מפוקפקים. גם בתקופת שלטונו של אדוארד שוורדנדזה (1993–2003) היו הפשע והשחיתות נפוצים, ופשו בקרב הדרגים הבכירים ביותר בחברה. חלקים רבים בחברה התרוששו כתוצאה מאבטלה שהביאה לקריסה כלכלית של העיר. מצב זה הביא להפגנות סוערות בנובמבר 2003, לאחר שהשחיתות הגיעה לשיאה בבחירות לנשיאות גאורגיה, שזויפו בידי הממשלה המכהנת של שוורדנדזה. כ-100,000 איש שיצאו לרחובות טביליסי הביאו להפיכה ללא שפיכות דמים במהפכת הוורדים. מאז 2003 גברה היציבות במידה ניכרת. הממשלה החדשה בראשות מיכאיל סאקשווילי הקטינה את השחיתות במידה ניכרת, ושיפרה את הכלכלה בגאורגיה בכלל ובטביליסי בפרט.
שלטון מקומי.
טביליסי הוכרזה כבירת גאורגיה בחוקת גאורגיה, סעיף 10, שהוסף לחוקה בשנת 1995. ב-20 בפברואר 1998 חוקק "חוק בירת גאורגיה - טביליסי".
העיר מנוהלת על ידי מועצת העיר טביליסי (תְּבִּילִיסִיס סָאקְרֶבּוּלוֹ ) ועיריית טביליסי (תְּבִּילִיסִיס מֶרִיָּה ). המועצה כוללת 37 נציגים הנבחרים מדי ארבע שנים. הבחירות האחרונות נערכו באוקטובר 2017, וחברי המועצה הנבחרים יכהנו עד אוקטובר 2021. ברוב הקולות זכתה מפלגת השלטון בגאורגיה, החלום הגאורגי - גאורגיה הדמוקרטית ונציגה קאחה קאלדזה, שהוא ראש העיר המכהן של טביליסי כיום, שזכה ב-51.13% מהקולות. לתפקיד יושב ראש מועצת העיר טביליסי נבחר גִּאּוֹרְגִּי טְקֶמָאלָאדּזֶה , שהחליף את גִּאּוֹרְגִּי אֶלִיבֶּגָּאשְׁווִילִי שכיהן בתפקיד בשנים 2014-2017. בבחירות שנערכו בשנת 2021 נבחר קאלדזה וטקמלאדאזה לראש עיריית טביליסי ויושב ראש מועצת העיר, בהתאמה.
מבחינה מנהלית מחולקת העיר ל"רָאיונים" (רבעים או מחוזות) שבעצמם מחולקים למחוזות בעלי שלטון מקומי מרכזי ותחום שיפוט מוגבל. מחוזות עירוניים אלה הוקמו תחת השלטון הסובייטי בשנות ה-30 של המאה ה-20. לאחר הכרזת עצמאותה של גאורגיה חל שידוד מערכות מלא של השלטון המקומי בטביליסי.
הרבעים (ראיונים) של טביליסי הן:
דמוגרפיה וכלכלה.
אוכלוסיית טביליסי גדלה משמעותית במאה ה-6, עם העברת עיר הבירה ממצחתה לטביליסי. בתקופת השלטון הערבי בטביליסי, מהמאה ה-8 עד המאה ה-12, הייתה אוכלוסיית טביליסי מעורבת - גאורגים ערבים ולא-ערבים, והמוסלמים היוו את רוב האוכלוסייה. בשנת 1216 הצטמצמה האוכלוסייה כיוון שנהרגו כ-200,000 איש מתושבי העיר בסירובם להתאסלם. במשך תקופות ארוכות בהיסטוריה של טביליסי היה הרוב בעיר לא-גאורגי. בסוף המאה ה-19 היה הרכב אוכלוסיית טביליסי: 38.1% ארמנים, 26.3% גאורגים ו-24.8% רוסים. בשנת 1989 היוו הגאורגים כ-60% מהאוכלוסייה. יתר ה-40% היו: רוסים, ארמנים, אזרים, יוונים, יהודים, יזידים ואוסטים, נכון ל-1 בינואר 2020 אוכלוסיית העיר מונה 1,184,818 בני אדם המהווים כ-20% מכלל אוכלוסיית המדינה או מעל ל-25% מכלל אוכלוסיית טביליסי רבתי.
לאחר עצמאות גאורגיה , משנת 1991 ואילך, התכווצה אוכלוסיית טביליסי ב-15%. התכווצות זו נבעה בין היתר מהגירה המונית של רוסים וארמנים לרוסיה וגידול טבעי נמוך בקרב הגאורגים תושבי טביליסי. מגמה זו התהפכה בשנות ה-2000 עם הגירתם של גאורגים רבים מהכפרים אל טביליסי.
בשנת 2009 היוו הגאורגים כ-84% מהאוכלוסייה. קבוצות אתניות גדולות אחרות הן: ארמנים (8%), רוסים (3%), ואזרים (3%). מחוץ לאלה ישנם גם: אוסטים, אבחזים, אוקראינים, יוונים, יהודים, אסטונים, גרמנים, כורדים, אשורים ועוד. בתקופה האחרונה גדלה אוכלוסיית הטורקים והסינים בעיר.
בתקופת שלטון האימפריה הרוסית, הייתה טביליסי בירת מלכות המשנה של הקווקז ונהרו אליה מכל רחבי הקווקז. העיר נודעה כעיר רב-תרבותית והתרכזו בה קבוצות אתניות רבות ושונות.
כלכלה.
מבחינה כלכלית מהווה אבטלה של כ-23.8% מהאוכלוסייה ב-2021 את הבעיה העיקרית של העיר. בעיות בולטות נוספות הן עומס כלי הרכב ברחובות העיר, והבנייה הבלתי חוקית הגורמת לנזק בלתי הפיך למבנים ההיסטוריים של טביליסי. מוסר התשלומים הנמוך של האוכלוסייה מביא לאי סדירות באספקת האנרגיה לבירה המסופקת על ידי חברת החשמל, "תלאסי", וחברת הגז "תבילגאזי". לעיתים קרובות לא מגיעה אנרגיה לרבעים שלמים.
יהודי טביליסי.
במאה ה-19 התרחשה הגירה של חיילים יהודים רוסים, שהצטרפו לקהילה היהודית הקיימת, וכן הייתה קיימת קהילה קטנה של יהודי פרס.
לאחר מלחמת העולם הראשונה שימשה טביליסי תחנת מעבר לחלוצים שעלו לארץ ישראל.