לאחר "תקרית תחנת ויקטוריה" במאי 1976 בה צולם בואי מצדיע במועל יד דבר שגרם להתקפה חריפה בעיתונות הבריטית ומהקהילה היהודית, עבר בואי אל ברלין המערבית על מנת להתנקות מסמים לחלוטין, ולהחזיר את הקריירה שלו למסלולה. בתקופה בה שהה שם החל לגלות עניין בסצנת המוזיקה הגרמנית, בזמן שחלק דירה יחד עם איגי פופ. בתקופה זו הוא הפיק שלושה מאלבומיו של פופ לצד טוני ויסקונטי, ובכך עזר רבות בקריירה שלו. עם בואי לצידו ככותב שירים, השלים פופ שני אלבומי סולו: "The Idiot" ו-"The Lust for Life". באופן בלתי צפוי, חבר בואי אל להקתו של פופ באביב של אותה שנה. הוא לקח פיקוד על הקלידים לקולות הליווי וההרכב הופיע בבריטניה, אירופה ובארצות הברית ממרץ ועד אפריל.
הצליל הגס אשר אפיין את "Station to Station" הציג את הניצנים הראשונים לסגנו המוזיקלי שבואי אימץ לעצמו ברצף של שלושה אלבומי אלבומים שנקרא "טרילוגיית ברלין". חלק ניכר מהעבודה על הטרילוגיה הייתה של המוזיקאי בריאן אינו, בכתיבת השירים ובעבודת הקלידים.
על אף שבמקומות רבים זכה אינו לקרדיט על הפקת הטרילוגיה, היחידים שהפיקו אותו היו בואי וטוני ויסקונטי. מספר שנים מאוחר יותר, בואי עצמו הצהיר כי לא ניתנה מספיק הוקרה לוויסקונטי על הפקת האלבומים, על אף שרוב ההפקה הייתה נתונה לו.
על האלבום הראשון בטרילוגיה אמר ויסקונטי כי "בואי רצה לעשות אלבום בלתי מתפשר המשדר בדיוק מה שהוא מרגיש, ושלא היה לו אכפת אם זה יהיה אלבום להיט ושההקלטות יהיו כל כך מבולגנות עד שאף אחד לא יסכים להפיץ את האלבום". בהשפעה ניכרת מאמנים גרמניים שונים כמו קאן, נוי!, קרפטוורק ומלחינים אמריקאים כמו סטיב רייך ופיליפ גלאס, בואי נסע לניונקריצ'ן שליד קלן על מנת לפגוש את המפיק הגרמני הידוע קונרד (קוני) פלאנק, אשר נחשב למהפכני בקרב הרוק הגרמני של אותה תקופה. אולם, פלאנק לא גילה שום עניין לעבוד לצד בואי, וסירב להכניסו לאולפן. לפיכך, בואי ושותפיו החלו להקליט בעצמם שירים שנחשבו לפשוטים באופן יחסי, פשטניים ועקביים, כתגובה לצמיחת זרם הפאנק-רוק באותה תקופה. אולם, שירים נוספים שהיוו צד שלם בתקליט החדש היו קטעים אינסטרומנטליים בלבד. לאחר סיום העבודה יצא האלבום בתחילת שנת 1977 תחת השם "Low", ובאופן מפתיע הגיע למקום השלישי במצעדי בריטניה, ועם השנים זכה להוקרה כאלבום שהקדים את זמנו.
האלבום הבא, "Heroes", היה זהה בסאונד שלו ל-"Low", אם כי היה יותר נגיש לקהל המאזינים. אופי שני האלבומים תאם לאווירת המלחמה הקרה ששררה באותה תקופה, כאשר ברלין המחולקת לשניים היוותה את ההשראה ליצירתם. השיר שהעניק לאלבום את שמו הפך להיות אחד הידועים של בואי, אשר נכתב בהשראה מזוג אוהבים שראה דרך חלון האולפן,( המפיק ויסקונטי וחברתו) אשר התנשקו ליד חומת ברלין, מתחת למגדלי השמירה. מקום המפגש היה תמוה ביותר בעיני בואי, והוא דמיין לעצמו שהשניים מנהלים רומן אסור, אך מייחסים לזאת סוג של גבורה, ולא בגידה, שמתבטאת במיקום שהם בחרו. בדומה לאלבום הקודם, גם אלבום זה חולק לשני חלקים: חלקו הראשון של האלבום כלל שירים רגילים, וחלקו השני כלל קטעים אינסטרומנטליים.
באותה שנה, הופיע בואי בהופעת אורח ב-"Granada music show Marc", בהנחיית חלוץ הגלאם רוק, חברו מארק בולאן, אשר הופיע לצד בואי עוד לפני שהפכו למפורסמים. בואי סירב להיות אורח כבוד בתוכנית האחרונה, כאשר בולאן נהרג בתאונת דרכים זמן קצר לאחר ההתארחות הראשונה של בואי.
בחג המולד של שנת 1977, בואי חבר לבינג קרוסבי, אותו העריץ, והקליט עמו גרסה לשיר "Little Drummer Boy", עם מלל חדש. שנתיים לפני, ביצעו השניים את השיר המקורי בתוכנית מיוחדת לכבוד חג המולד. חודש לאחר הקלטת השיר, מת קרוסבי. חמש שנים מאוחר יותר נהפך השיר ללהיט, אשר הגיע למקום השלישי במצעדי בריטניה, כשיצא לכבוד חג המולד. לפי דברי בואי, הוא פחד להתארח מאז בתוכניות אירוח, מאחר ש"כל מי שהתארחתי אצלו התפגר חודש מאוחר יותר".
בשנת 1978 יצא בואי למסע הופעות מצומצם שהציג את שירי "Low" ו-"Heroes". בעקבותו יצא אלבום הופעה בשם "Stage". באותה שנה הוקלט בואי בתור המספר לסיפורו של סרגיי פרוקופייב, פטר והזאב. רבים מחשיבים את ההקלטה לאחת מהטובות ביותר שנעשו על רקע הסיפור.
בשנת 1979 יצא האלבום האחרון ב"טרילוגיית ברלין", "Lodger". האלבום כלל את הסינגלים "Boys Keep Swinging", "DJ" ו-"Look Back in Anger". בניגוד לשני האלבומים הקודמים, באלבום לא נכללו קטעים אינסטרומנטליים. על אף זאת, האלבום זכה להוקרה כשילוב בין בניו וייב ולמוזיקת עולם, ושירים כמו "African Night" ו-"Yassassin" ה"מזרחי" נחשבו להפתעה, אפילו בשביל היצירתיות של בואי.
בשנת 1980 לקח בואי את כל אשר למד מיצירת "טרילוגיית ברלין", ביצירת האלבום "Scary Monsters (and Super Creeps)". האלבום כלל את הלהיט "Ashes to Ashes", הציג את עבודת הסינתיסייזרים של הגיטריסט צ'אק האמר, וכלל גם חזרה אל הדמות הראשונה של בואי, מייג'ור טום מ-"Space Oddity". הדימויים שאפפו את הווידאו קליפים של שירי האלבום נתנו חשיפה לתנועה ה"נאו רומנטית" המחתרתית, כשבנוסף בואי נהג לפקוד תכופות את מועדון "הבליץ", המרכז החברתי הראשי של התנועה.
על אף שהאלבום המשיך לפי העקרונות של שלושת קודמיו, המבקרים החשיבו אותו כיותר נגיש, במלל ובמוזיקה, מה שככל הנראה הציג את הלך הדברים שעברו על בואי במהלך ההתנסויות המוזיקליות השונות. באותה תקופה בואי התגרש מאשתו אנג'י, נגמל מהסמים שאפיינו את תקופת "הדוכס", והגישה שלו כלפי האופן בו צריך לכתוב מוזיקה השתנתה לחלוטין. האלבום כלל הרבה נגיעות של מוזיקת רוק כבד, כולל קטעי גיטרה זהים מעבודות של פיט טאונסנד ורוברט פריפ. בנוסף לשינויים האמנותיים שעבר באותה תקופה, החל בואי בספטמבר של אותה שנה לככב בברודוויי במחזה איש הפיל.
בואי כוכב עליון 1988-1980.
בשנת 1981 חבר בואי ללהקת קווין לביצוע ספונטני לשיר משותף בשם "Under Pressure". השיר הפך ללהיט אדיר והסינגל שלו הגיע לראש המצעדים בבריטניה. באותה שנה הופיע בואי בהופעת אורח בסרט גרמני אשר סיפר את סיפורה האמיתי של כריסטיאנה פ., נערה ברלינאית בת 13 אשר מתמכרת להרואין ומתדרדרת לזנות. בואי זכה לקרדיט בסרט על "שיתוף פעולה מיוחד", וכן המוזיקה שלו הוספה לסרט. בשנת 1982 יצא הפסקול של הסרט אשר כלל גרסה של "Heroes", אשר הושרה בגרמנית. באותה שנה הופיע בואי בהפקת ה-"BBC" למחזאו של ברטולט ברכט, "באל", אשר ממנו יצא מיני-אלבום עם חמישה שירים מההפקה, "David Bowie in Bertolt Brecht's Baal". תקליט זה היה האחרון בשיתוף פעולה של בואי עם חברת "RCA", ולאחר מכן עבר לחברת "EMI".
בשנת 1983 זכה בואי לראשונה להצלחה מסחרית עולמית, עם האלבום "Let's Dance", אלבום מוזיקת דאנס אשר הציג את הפרידה של בואי מהסגנון הברלינאי, בו דבק מאז סוף שנות ה-70. השיר Let's Dance הגיע לראש המצעדים הן בארצות הברית והן בבריטניה, ולווה בקליפ הזוכה לשידור עד היום ברשתות המוזיקה הטלוויזיוניות. באלבום נכללו גם הסינגלים "Modern Love" ו-"China Girl". האחרון היה גרסה חדשה לשיר שכתב בואי יחד עם איגי פופ, ושנכלל באלבום "The Idiot". האלבום היווה גם קרש קפיצה בקריירה של הגיטריסט סטיבי ריי וואהן, אשר ניגן באלבום והיה אמור לחבור מאוחר יותר לבואי במסע ההופעות לקידומו, אם כי הדבר לא קרה בעקבות סכסוכים בין השניים. במקומו שכר בואי את הגיטריסט ארל סליק. האחים פרנק וג'ורג' סימס מלהקת "האחים סימס" הצטרפו לביצוע קולות רקע. מסע ההופעות Serious Moonlight זכה להצלחה אדירה, והופעה בודדה של בואי בפסטיבל הניבה לו רווחים בסך מיליון דולר. DVD של הופעה בקנדה מתעד את אווירת סיבוב ההופעות המצליח.
באותה שנה כיכב בואי בתפקיד הראשי בסרטו של נגיסה אושימה, "חג שמח, מיסטר לורנס".
אלבומו הבא של בואי תוכנן להיות אלבום הופעה ממסע ההופעות, אך "EMI" דרשה אלבום אולפן נוסף במקום. התוצאה הייתה האלבום "Tonight" שיצא בשנת 1984, היה גם הוא אלבום דאנס, וכלל שיתוף פעולה עם טינה טרנר, ואיגי פופ, וכן גם כלל גרסת כיסוי לשירם של הביץ' בויז, "God Only Knows". המבקרים קטלגו את האלבום כעבודה ללא כל מאמץ, אשר הודח לשוליים מהמצעדים בעקבות אלבומו הקודם והמצליח של בואי. הסיבה העיקרית לכישלון האלבום ככל הנראה הייתה העובדה שרוב שיריו היו גרסאות כיסוי וגרסאות מחודשות לשיריו הישנים. על אף זאת, האלבום הניב את הלהיט "Blue Jean", אשר הווידאו קליפ שלו, סרטון באורך 22 דקות, שיקף את העניין של בואי בשילוב בין תחומי אומנות שונים יחד עם מוזיקה. הסרטון זיכה את בואי באותה שנה בפרס גראמי היחיד שלו, בקטגוריית הווידאו קליפ הטוב ביותר. באלבום נכללו שני שירי דאנס, "Neighborhood Threat" ו-"Tonight", אשר נכתבו שנים לפני על ידי בואי ופופ.
בשנת 1985 ביצע בואי מספר מלהיטיו באצטדיון ומבלי במסגרת מופע הלייב אייד, שמטרתו הייתה השגת תרומות למען המורעבים באתיופיה. הופעתו כללה את השירים "Rebel Rebel", "TVC 15", ""Modern Love" ו-"Heroes", ובסופה הוא הציג סרטון אשר המחיש את המצב באתיופיה. באותה שנה ביצע בואי יחד עם חברו, סולן להקת הרולינג סטונז מיק ג'אגר גרסת כיסוי לשירם של מרת'ה והוונדלז, "Dancing in the Streets", אשר הגיע במהרה לראש המצעדים. באותה שנה עבד בואי על השיר "This Is Not America", אשר הופיע בסרט "הבז ואיש השלג".