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).
בשנת 1819 יצא לאור העיתון המודפס הראשון בטביליסי, "סָכַּרתווֶלוֹס גאזֶתי". שנה לאחר מכן שונה שמו ל"כּארתוּלי גאזֶתי" ובשנת 1828 יצא לאור העיתון "טפיליסיס אוצק'באני". בין השנים 1852–1875 ראה אור הז'ורנל, "ציסקארי" ובין השנים 1866–1885 העיתון "דרוֹאֶבָּה" ("זמנים"). בשנת 1877 הוציא איליה צ'בצ'בדה לאור את הז'ורנל "איבריה" שהפך משנת 1886 לעיתון. בשנת 1966 יצאה לאור "האנציקלופדיה הגאורגית סובייטית".
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"). בסוף המאה ה-19, בשנת 1897, היה הרכב אוכלוסיית טביליסי: 38.1% ארמנים, 26.3% גאורגים ו-24.8% רוסים.
בתקופה זו נבנו כיכר החירות (1829), פארק מושטאידי שבשנת 1935 נבנתה בה רכבת הילדים הגדולה בעולם, התיאטרון האימפריאלי, ספריית הפרלמנט הלאומית של גאורגיה (1846), מוזיאון סימון ג'נשיה (1856), הקונקה של טביליסי (1883) שעל בסיסו הוקמה מאוחר יותר בתקופת השלטון הסובייטי בגאורגיה החשמלית של טביליסי, פנתאון דידובה, הפוניקולר של טביליסי (1905), הקונסרבטוריון הממלכתי של טביליסי (בשנת 1917 לאחר מהפכת פברואר בתקופת ממשלת המעבר הרוסית).
בשלהי שלטון האימפריה הרוסית בגאורגיה הייתה טביליסי מרכז חשוב להתפתחותה של המפלגה הקומוניסטית בברית המועצות. אישים בולטים במפלגה פעלו בטביליסי ובכללם סטלין שהפך מאוחר יותר לשליט ברית המועצות. בטביליסי גם התרחש שוד הבנק של טיפליס, שוד שנבעה ממניעים פוליטיים בשנת 1907, בטביליסי גאורגיה, והייתה האירוע החשוב ביותר בהיסטוריה הבולשביקית ובדרכה של מפלגת הפועלים הרוסית הסוציאל-דמוקרטית (РСДРП). סכום הכסף שנשדד, כמיליון רובל על פי ההערכה, הניע את גלגלי המהפכה הבולשביקית ומימן את פעולותיה שנים רבות לאחר מכן.
עצמאות 1918 - 1921.
לאחר מהפכת אוקטובר בשנת 1917 הפכה טביליסי לבירת מדינה טרנס-קווקזית זמנית שנוסדה באביב 1918, הרפובליקה הדמוקרטית הפדרטיבית 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.
הכרזת העצמאות הגאורגית הביאה לשינויים רדיקליים בקהילה היהודית בגאורגיה, והיהודים קיבלו שוויון זכויות מלא במדינה. החידוש באפשרות של נאום בחופשיות, חופש העיתונות וחופש ההתארגנות הובילו לחידוש המעורבות היהודית בחיים הציבוריים. באותה שנה, 1918 הצליח דוד באזוב לייסד בית ספר עברי-ציוני בטביליסי. בית ספר שהיה מושתת על יסודות פדגוגיים מודרניים, והלימודים בו התקיימו בשיטת עברית בעברית, שיטה שהופעלה קודם לכן על ידי אברהם חוולס, בשנת 1906 בצחינוואלי.
ב-10 ביוני 1918 הגיע כוח גרמני מחיל המשלוח הגרמני לקווקז לטביליסי, שנת יומיים לפני כן בנמל פותי שלחופי הים השחור, והצטרף למצעד הצבאי הגאורגי-גרמני שנערך בשדרות רוסתוולי. תוך זמן קצר הצטרפה המשלחת הגרמנית לשבויי המלחמה לשעבר הגרמנים מרוסיה, ולמתיישבים שהועברו מווירטמברג, והתיישבו בגאורגיה באמצע המאה ה-19.
ב-15 בפברואר 1921 פלשו הסובייטים לגאורגיה, ויומיים לאחר מכן, ב-17 בפברואר, הגיע הצבא האדום לטביליסי מכיוון דרום-מערב, וכבש תחילה את העיירה קוג'ורי והתקדם וכבש את כפר טבחמלה. ביומיים לאחר מכן, 18 - 20 בפברואר עברה השליטה בעיר מיד ליד. ב-20 בפברואר נסוגו הכוחות הגאורגיים והרוסים הידקו את המצור על טביליסי. ב-23 בפברואר שיקם הצבא האדום את גשר מסילת הברזל שפוצץ עם נסיגת הגאורגים והגיעה תגבורת של טנקים, שכבשו בסופו של דבר, ב-25 בפברואר, הושלם כיבושה של העיר, והכריזו על שלטון סובייטי.
תחת השלטון הקומוניסטי.
עם כיבושה של גאורגיה בידי הסובייטים ועד שנת 1936 הפכה טביליסי לבירתה של הרפובליקה הסוציאל-פדרטיבית הסובייטית של 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.
ב-9 במרץ 1956, טבח הצבא האדום במפגינים גאורגים שהפגינו בטביליסי כנגד הדה-לגיטימציה של סטלין והפגיעה בגאווה הלאומית הגאורגית, שנבעו בעקבות נאומו מכה הגלים של המנהיג הסובייטי החדש, ניקיטה חרושצ'וב, הוקיע חרושצ'וב את הדיקטטור סטלין (יליד גאורגיה) כעריץ ברוטלי. השלטונות המקומיים שאיבדו שליטה העבירו את השליטה לידי הצבא שטבח במפגינים. היד הקשה הביא לשקט יחסי, ובמשך 20 השנה הבאות לא נרשמו עימותים דומים. כמו כן הטילו השלטונות הסובייטים איסור פרסום האירוע.
ב-14 באפריל 1978 יצאו תושבי גאורגיה להפגנות בטביליסי, בתגובה לניסיון של אנשי המפלגה הקומוניסטית לשנות את הסטטוס החוקתי של השפה הגאורגית המקומית. פעולות המחאה איימו להגיע לכדי התנגשות אלמלא התערבותו של המזכיר הראשון של המפלגה הקומוניסטית הגאורגית, אדוארד שוורדנדזה. הוא ניהל משא ומתן עם השלטון במוסקבה והצליח להשיג אישור להשארת הסטטוס של השפה הגאורגית. הוויתור הלא שיגרתי נטרל מצד אחד כעס עממי בטביליסי אולם עורר מתיחות כנגד אבחזיה אסס"ר (1931–1991) מצד שני. כאשר מנהיגי המפלגה הקומוניסטית באבחזיה מחו כנגד "הכניעה ללאומנות הגאורגית" ותבעו כי האוטונומיה שלהם תועבר לשליטת הרפובליקה הסובייטית הסוציאל-פדרטיבית של רוסיה. התביעה נדחתה בעיקרה אולם נעשו מספר ויתורים פוליטיים, תרבותיים וכלכליים. מ-14 באפריל 1990 נקבע מועד זה כיום חג לשפה הגאורגית.
פסטיבל הרוק של טביליסי היה אירוע מוזיקלי שהתקיים בטביליסי במשך כשבוע בין 8 במרץ ל-16 במרץ 1980. האירוע היה פסטיבל הרוק הרשמי הראשון בברית המועצות, ונחשב לעיתים קרובות כנקודת מפנה בהיסטוריה הסובייטית ושל מוזיקת הרוק הרוסי.
ב-9 באפריל 1989, נהרגו בטביליסי 20 נשים ומאות נפצעו בהפגנות שפוזרו באלימות על ידי הצבא האדום, בטרגדיה של 9 באפריל. המחאה הגאורגית שהחלה בדרישה להעניש את הבדלנים האבחזים שהכריזו על עצמאותם באספת ליחני, ולהחזיר את עצמאות גאורגיה. השלטונות הסובייטים המקומיים איבדו שליטה על המצב בבירה וביקשו את עזרת הצבא הסובייטי, שפיזר ביד קשה ובאלימות אשר גרמו ל-20 הרוגים ומאות פצועים, על ידי שימוש באלות ובגז רעיל. למרות ניסיונות של המעורבים בטרגדיה להתנער מאחריות קבעה ועדה פרלמנטרית רוסית כי יש להעמיד לדין את ראשי הצבא שהביאו למות אזרחים. שנתיים מאוחר יותר, לאחר משאל עם, הצביעו הגאורגים על עצמאות גאורגיה, ותאריך הטרגדיה, 9 באפריל, נקבע כיום כינון הרפובליקה.
עצמאות גאורגיה.
עם התפרקות ברית המועצות עברה על העיר תקופה של חוסר יציבות ומבוכה שהגיעו לכדי מלחמת אזרחים. לאחר הכרזת העצמאות של גאורגיה. בסתיו 1991 הגיעה פעילות האופוזיציה כנגד נשיאה הראשון של גאורגיה, זוויאד גמסחורדיה, לכלל מהומות אלימות. ב-2 בספטמבר 1991 דיכאה המשטרה הפגנה גדולה של האופוזיציה בטביליסי, וזאת תוך שימוש בכוח רב. מספר פעילים מרכזיים באופוזיציה נעצרו, עיתוני אופוזיציה נסגרו, והמשטרה פשטה על משרדי תנועות האופוזיציה. המשמר הלאומי הגאורגי, שהיה הכוח הפארא-צבאי העיקרי במדינה, התפצל לשני פלגים, בעד הנשיא גמסחורדי, ונגדו. מיליציית המחדריוני בהנהגת ג'אבא יוסליאני תמכה אף היא במתנגדים לנשיא.