השיא של אומנות המחשוב האנלוגי היה בהמצאתו של וניבר בוש ב־1930 – המנתח הדיפרנציאלי. פחות מתריסר התקנים כאלה נבנו אי פעם. החזק מביניהם נבנה בבית הספר להנדסת חשמל על שם מור שבאוניברסיטת פנסילבניה, אותו מקום שבו נבנה לראשונה מחשב האניאק. מחשבים אלקטרוניים ספרתיים כמו האניאק שמו את הקץ לרוב המחשבים האנלוגיים. אולם מחשבים אנלוגיים היברידיים, הנשלטים על ידי אלקטרוניקה ספרתית, נותרו בשימוש בשנות ה־50 וה־60 ומאוחר יותר בשימושים פרטניים.
מחשבים ספרתיים מוקדמים.
תקופת המחשוב המודרנית החלה לפני ובמשך מלחמת העולם השנייה. המלחמה נתנה דחיפה גדולה למחשוב בשל הרצון לשפר את יכולת התפקוד של הצבאות. בתקופה זו הוחלפו רכיבים מכניים במעגלים חשמליים, קבלים תמסורות ושפופרות ריק. חישובים החלו להיעשות באופן דיגיטלי כתחליף לשיטת החישוב האנלוגית. בעוד שתאורטית ניתן לבנות מחשב שלם באופן מכני (בדומה לתכנונו של בבג') הרכיבים החדשים סיפקו ביצועי מהירות טובים יותר.
המחשבים שתוכננו ונבנו בתקופה זו לעיתים מכונים מחשבי "הדור הראשון". מחשבי הדור הראשון כמו מחשב אתנסוף ברי, מחשב ה־Z3, הקולוסוס והאניאק נבנו ידנית תוך שימוש במעגלים שכללו תמסורות ושפופרות. לרוב נעשה שימוש בכרטיסי ניקוב או בסרטי ניקוב כאמצעי הקלט וכאמצעי האחסון. במערכות מאוחרות יותר, האחסון נעשה באמצעות קווי השהיה אקוסטיים (שעושים שימוש במהירות מעבר הקול דרך חומר כמו כספית נוזלית או דרך חוטים כדי לאחסן נתונים באופן זמני) או בשפופרות ויליאמס (אשר משתמשות ביכולת של שפופרת טלוויזיה לאחסן ולשלוף נתונים). עד 1954, זיכרון ליבה מגנטית החליף את רוב צורות האחסון הזמני, ושלט בתחום האחסון עד לאמצע שנות ה־70.
בתקופה זו פותחו מספר מכונות בעלות יכולות יחסית גדולות, שכן בתחילת התקופה לא היה קיים דבר שדומה למחשב המודרני, למעט תוכניותיו הגנוזות של צ'ארלס בבג' והגיגיהם המתמטיים של אלן טיורינג ואחרים. אך בסוף התקופה, התקנים כמו ה־EDSAC נבנו, ומוסכם שהם היו מחשבים דיגיטליים לכל דבר. לא קל להצביע על אחד המחשבים בסדרה כ"מחשב הראשון" משום שקיימות דקויות שמחייבות זהירות.
המאמר של אלן טיורינג מ־1936 הוכח כרב השפעה בתחום מדעי המחשב והמחשוב בשני אופנים. המטרה של המאמר הייתה להוכיח באופן פשוט שקיימות בעיות (כמו בעיית העצירה) שלא יכולות להיפתר באמצעות תהליכים ממוכנים (כמו אלו של מחשב). אולם, באמצעות ההוכחה, טיורינג הצליח לספק הגדרה למחשב האוניברסלי: מבנה הקרוי מכונת טיורינג – התקן תאורטי לחלוטין שהומצא כדי להפוך את רעיון ההרצה של אלגוריתמים לפורמלי. בכך טיורינג החליף את השפה האוניברסלית של קורט גדל אשר התבססה על אריתמטיקה. מחשבים מודרניים מוגדרים כבעלי שלמות טיורינג (כלומר, בעלי יכולת הרצת אלגוריתמים הדומה למכונת טיורינג אוניברסלית), למעט הזיכרון הסופי שלהם.
תכונת השלמות של טיורינג שהיא תאורטית בעיקרה היא עדיין כברת דרך עד להתקן חישוב אוניברסלי. כדי שמחשב יוכל לבצע מטלות מגוונות, דרושה דרך נוחה להכניס תוכניות חדשות למחשב למשל בדמות הסרט המנוקב. כדי לאפשר ביצועים מגוונים ככל האפשר, ארכיטקטורת פון נוימן עושה שימוש באותו זיכרון כדי לאחסן גם את התוכניות וגם את הנתונים. בזמננו, כמעט כל המחשבים עושים שימוש בארכיטקטורה זו (או בגרסה אחרת שלה).
היו שלושה מסלולים מקבילים של התפתחות המחשב בתקופת מלחמת העולם השנייה. שניים מהמסלולים או שנשמרו בכוונה תחילה בחשאיות או שהתעלמו מהם באופן גורף. המסלול הראשון מבין השניים היה המסלול הגרמני – עבודתו של קונראד צוזה. עבודה זו לא השפיעה על ההתפתחויות בבריטניה ובארצות הברית. המסלול השני היה הפיתוח הסודי של מחשב הקולוסוס בבריטניה. מידת השפעתו קשה להערכה, כיון שדבר קיומו נשמר בסוד שנים רבות. לאחר המלחמה שתפו פעולה חוקרים בריטים ואמריקאים על מנת לאפשר בניית התקן מחשוב מעשי.
סדרת ה־Z-series של קונראד צוזה.
בעודו עובד בבידוד יחסי בגרמניה הנאצית, החל קונראד צוזה לבנות ב־1936 סדרה ראשונה של מחשבים בעלי זיכרון ואפשרות תכנותית מוגבלת. מחשב ה־Z1 פרי פיתוחו של צוזה היה מכני לחלוטין ואפילו בינארי אך מעולם לא עבד באופן מהימן בשל בעיה בדיוק בעת יצור הרכיבים המכניים. פיתוחו הבא של צוזה מחשב ה־Z3 הסתיים ב־1941. המחשב היה מבוסס על תמסורות טלפון ועבד באופן משביע רצון. בכך הפך ה Z3 למחשב הראשון שנשלט באמצעות תוכנית מחשב. במובנים רבים הוא היה דומה למחשבים מודרניים והכיל יכולות חדשניות רבות שאחת מהן הייתה השימוש במספרי נקודה צפה. המשמעות של החלפת השיטה הדצימלית הקשה למימוש, שבה עשה בבג' שימוש, בשיטה הבינארית הפשוטה יותר, הייתה שהמחשב של צוזה היה קל יותר לבנייה ואף אמין יותר ביחס לטכנולוגיה של התקופה. ההערכה הרווחת היא שבכך טמון ההסבר להצלחה שנחל צוזה היכן שבבג' כשל.
תוכניות מחשב הוזנו ל־Z3 על גבי סרט מנוקב. לא היו קפיצות מותנות במחשב, אולם למרות זאת, בשנות ה־90 הוכח באופן תאורטי שה־Z3 יכול לממש מכונת טיורינג אוניברסלית. בשנת 1936 חזה צוזה שפקודות המכונה יאוחסנו באותו מקום שבו מאוחסנים הנתונים. תובנה זו הייתה מפתח למה שלימים יכונה ארכיטקטורת פון נוימן. צוזה טען ב־1945 שתכנן את שפת התכנות הראשונה (פלנקלקול), אולם הדבר לא פורסם רשמית עד לשנת 1971. בשנת 2000, כחמש שנים לאחר מותו של צוזה מומשה השפה לראשונה על ידי האוניברסיטה החופשית של ברלין.
הדגם הראשון של מחשב ה־Z3 של צוזה הושמד ב־1944, במהלך הפצצות בעלות הברית במלחמת העולם השנייה. עבודתו נשארה עלומה עבור מהנדסים בבריטניה וארצות הברית עד לתקופה מאוחרת יותר.
פיתוחים אמריקאיים.
ב־1937 חיבר קלוד שנון את עבודת התזה לתואר השני שלו ב־MIT. בתזה זו הוא מימש לראשונה אלגברה בוליאנית באמצעות ממסרים חשמליים ומתגים. עבודת התזה של שנון יסדה למעשה את התכן הספרתי (תכן לוגי).
בנובמבר 1937, ג'ורג' סטיביטס, שעבד אז במעבדות בל, השלים את פיתוחו של מחשב מבוסס ממסרים אותו כינה "Model K". המחשב ביצע חישובים באמצעות חיבור בינארי. מעבדות בל החליטו להעמידו בראש קבוצת מחקר ב־1938 וב־1940 הוציאו את מחשבון המספרים המרוכבים שהיה מסוגל לבצע חישובים במספרים מרוכבים. בהדגמה בכנס של האגודה האמריקאית למתמטיקה בדארטמות' קולג' ב־11 בספטמבר 1940, הדגים סטיביטס שליחת פקודות מרוחקות לחישוב מספרים מרוכבים על גבי תשתית קווי טלפון. זו הייתה הפעם הראשונה בהיסטוריה שנעשה שימוש מרוחק במכונת חישוב.
ב־1938 ג'ון וינסנט אתנסוף וכן קליפורד ברי מאוניברסיטת המדינה של איווה בארצות הברית פיתחו מחשב הקרוי מחשב אתנסוף ברי. מחשב זה היה מחשב אלקטרוני שייעודו היה לאפשר פתרון מערכות של משוואות ליניאריות. התכן כלל 300 שפופרות ריק למטרת מהירות גבוהה וכן קבלים שנועדו לצורכי הזיכרון. המחשב אמנם לא היה בר תכנות אולם היה המחשב המודרני הראשון במובנים אחרים ומשום שעשה שימוש במתמטיקה בינארית ובמעגלים חשמליים.
ב־1939 החלו ב־IBM לפתח את ההרווארד סימן 1. היה זה מחשבון אלקטרו־מכני רב תכליתי שנבנה במימון ובתמיכה טכנית של IBM תחת הנחייתו של המתמטיקאי הווארד איקן מאוניברסיטת הרווארד. התכן של המחשבון הושפע מהמנוע האנליטי של בבג' ועשה שימוש בגלגלי שיניים, במתגים ובממסרים אלקטרומגנטיים. המחשבון היה בר־תכנות באמצעות סרט ניקוב וכלל מספר יחידות חישוב מקביליות. גרסאות מאוחרות יותר כללו מספר ראשי קריאה שמותגו כתלות בתנאי לוגי. המכונה הזו לא הייתה בעלת שלמות טיורינג. המכונה הועברה להרווארד שם החלה לפעול במאי 1944.
הקולוסוס.
במהלך מלחמת העולם השנייה השיגו הבריטים בבלצ'לי פארק מספר הצלחות באתגר פיצוח התקשורת הצבאית המוצפנת של הגרמנים. מכונת ההצפנה של הגרמנים, "אניגמה", הותקפה בסיוע של מכונות אלקטרו־מכניות אשר כונו "בומבס". מכונת ה"בומב", שפותחה על ידי אלן טיורינג וגורדון ולצ'מן בהתבסס על הבומבה הפולנית מ־1938, חיפשה את אופן האתחול של האניגמה על ידי ביצוע שרשראות היקשים לוגיים, אשר מומשו באופן חשמלי. רוב אפשרויות האתחול הובילו לסתירה והאפשרויות המועטות הנותרות נבדקו ידנית.
הגרמנים פיתחו מספר מערכות הצפנה נוספות מלבד האניגמה. מכונת לורנץ שימשה להצפנת התקשורת הצבאית של הדרג הנאצי הבכיר. היירוטים הראשונים של הודעות הלורנץ החלו ב־1941. כתרומה למתקפה על הלורנץ פרופסור מקס נוימן ועמיתיו תכננו את הקולוסוס. הקולוסוס נבנה תוך 11 חודשים על ידי טומי פלוורס ועמיתיו בתחנת המחקר של הדואר ששכנה בדוליס היל בלונדון. עם סיום בנייתה נשלחה המכונה לבלצ'לי פארק.
הקולוסוס היה התקן המחשוב הראשון שהיה כולו אלקטרוני. הקולוסוס כלל מספר רב של שפופרות. סרט נייר שניתן היה לשנותו כדי לבצע פעולות לוגיות מגוונות שימש לקולוסוס כאמצעי קלט. אולם הקולוסוס לא היה בעל שלמות טיורינג. 10 מכונות קולוסוס נבנו. עד שנות ה־70 נשמרו פרטי קיומם, מפרטם והשימוש שנעשה בהם כסוד. וינסטון צ'רצ'יל הורה בסוף המלחמה להשמידם וזו הסיבה שמכונות אלו לא נכללו ברבים מהניסיונות לתאר את ההיסטוריה של המחשוב. דגם קולוסוס משוחזר נמצא כיום בתצוגה בבלצ'לי פארק.
האניאק.
האניאק היה מחשב שנבנה בארצות הברית ונחשב למחשב האלקטרוני הרב תכליתי הראשון. האניאק נחשב כמנוף רב חשיבות בדרך לפיתוח המחשב המודרני גם בשל יתרון המהירות שהוא הציג וגם בשל פוטנציאל המזעור שהיה גלום בו.