ב־21 במאי 1910, החליפה שכונת "אחוזת בית" את שמה לשכונת "תל אביב" כשם התרגום העברי של נחום סוקולוב לספרו של הרצל, "אלטנוילנד", שפורסם שבע שנים לפני כן.
בשנת 1917, קרוב לתום מלחמת העולם הראשונה, נכבשה ארץ ישראל על ידי האימפריה הבריטית מאת האימפריה העות'מאנית. המדינאי היהודי-בריטי לורד הרברט סמואל מונה כנציב העליון הבריטי על ארץ ישראל, שתפקידו לימשל על ארץ ישראל מטעם האימפריה הבריטית.
ב–19 ביולי 1920 הגיש ראש ועד שכונת תל אביב (לשעבר, שכונת אחוזת בית) מאיר דיזנגוף, לנציב העליון בקשה רשמית להיפרדות שכונת תל אביב מיפו. הצידוקים הרשמיים לבקשה נגעו בנטל המיסים של תושבי שכונת תל אביב, הן לוועד שכונת תל אביב והן לעיריית יפו. אך כוונתם האמיתית של אנשי שכונת תל אביב הייתה להקים עיר עברית חדשה.
בין 1 במאי 1921 לבין 6 במאי 1921 התרחשו מאורעות תרפ"א. אלה היו סדרה של מעשי רצח, אלימות, ואונס ביהודים, שוד וביזת רכושם, מצד שכניהם הערבים. המאורעות החלו ביפו והתפשטו ליישובים יהודיים נוספים. במהלכם נרצחו 47 יהודים ונפצעו 140. ב-11 במאי 1921 הכריזו הבריטים על "פקודת רשות עירונית תל אביב" (Tel Aviv Township Order). הפקודה איחדה את השכונות היהודיות שמחוץ לתוואי חומות יפו לרשות עירונית (Township) תחת השם "תל אביב" והפרידה אותה מיפו. מאורעות תרפ"א הובילו להגירה יהודית מיפו לרשות עירונית חדשה זו.
ב־1934 הפכה רשות עירונית תל אביב (Township) לעיר תל אביב (City) על ידי שלטונות המנדט הבריטי.
לאור יוזמתם וכוונתם של אנשי שכונת תל אביב (לשעבר, שכונת אחוזת בית) לייסד עיר עברית חדשה, נקבע שהעיר תל אביב נוסדה רשמית ביום 11 באפריל 1909, עם היוסדה של שכונת אחוזת בית. בהתאם לכך, נקבע גם שמייסדי העיר תל אביב (66 משפחות ובודדים) הינם מייסדי שכונת אחוזת בית.
יש הטוענים שהעיר תל אביב לא נוסדה בשנת 1909, אלא בשנת 1887 עם ייסודה של נווה צדק, השכונת הראשונה מחוץ לתוואי חומות יפו. אחרים טוענים שהעיר תל אביב נוסדה בשנת 1825 על ידי רבני ירושלים ששלחו באותה השנה את הרב הספרדי יהודה מרגוזה להקים התיישבות יהודית ביפו ובשנת 1829 על ידי 12 הניצולים של אוניית עולים יהודים ממרוקו שטבעה ליד עכו ושהיו הראשונים להצטרף ליהודה מרגוזה ולהתיישבות. המצודדים בגישה האחרונה מצביעים על סממני אפליה בבחירה בשנת 1909. אפליה הקשורה לרקע עדתי (ספרדים-אשכנזים), דתי (דתיים-חילוניים), וכלכלי-חברתי (עשירים-עניים), שרווחה במאה ה-20.
תקופת המנדט הבריטי.
עם הכיבוש הבריטי ב־1917 והחלתו של השלטון הצבאי הבריטי חזרו התושבים לתל אביב. העלייה השלישית בשנים 1919–1923 הזרימה עולים רבים לעיר, ומשנת 1921 החלה תנופת התפתחותה של תל אביב. שלטונות המנדט החליטו על הפרדתה החלקית מיפו והכרה במעמדה כישות עירונית TOWNSHIP (פקודה המורה על כך פורסמה ב־1 ביוני 1921). באותה שנה פרצו פרעות תרפ"א, שבהן רצחו ערביי יפו 47 מיהודי העיר, בהם הסופר יוסף חיים ברנר. בעקבות מאורעות דמים אלה יצאו יהודים רבים מיפו ועברו לתל אביב. אז הוחלט גם לבטל את התקנות האוסרות פעילות כלכלית בתל אביב, כלכלת העיר החלה להתפתח ונוסד שוק הכרמל. מאז התפתחה העיר בקצב מזורז: מ־3,600 תושבים בשנת 1914 ל־34,000 בשנת 1925 ול־120,000 בשנת 1936.
בסוף שנות ה־20 ותחילת שנות ה־30 החל פיתוחו של אזור שפך הירקון הידוע בכינוי "חצי האי הירקוני". באזור זה הוקמה תחנת הכוח רדינג ולצידה שדה התעופה שדה דב. בחלקו הדרומי התקיים יריד המסחר הבינלאומי שלצורך כך הוקמו בו ביתנים בסגנונות האדריכליים שאפיינו את העיר תל אביב. בחלקו המזרחי של היריד הוקם "אצטדיון המכביה הראשונה" ב־1932. בשנת 1937 הוקם גשר ווקופ מעל שפך הירקון שנועד לחבר את תחנת הכוח עם היריד.
ב־12 בינואר 1934 זכתה תל אביב למעמד של עיר.
להתפתחות הגדולה של העיר תרמו גם העלייה הרביעית והעלייה החמישית (1924–1939) שבהן זרמו לעיר עולים רבים ממרכז אירופה. בתקופה זו היא החלה לקבל את הצביון הבורגני־בלייני שלה. בתל אביב נפתחו הקולנוע הראשון ו"קזינו גלי אביב" שהיה מוקד בילויים חשוב של התקופה. בתקופה זו אומץ סמל העיר, וססמתה "עוד אבנך ונבנית" שנלקחה מהפסוק:
ב־1936 הייתה תל אביב לעיר הגדולה בארץ, למרכז המסחר והשיווק של התוצרת החקלאית, למרכז המלאכה והתעשייה הקלה ולמרכז השירותים הציבוריים, הכלכליים והתרבותיים של היישוב העברי.
במאורעות תרצ"ו–תרצ"ט תקפו ערבים את פרוורי תל אביב. בעקבות שביתת הפועלים בנמל יפו הוקם ב־1936 נמל תל אביב בחלקו הדרומי של חצי האי הירקוני ונמל תל אביב, והוא תרם להתפתחות העיר, אף שהיה זה נמל קטן ולא משוכלל ביותר: אוניות לא יכלו לעגון בו, וכמו בנמל יפו, העברת הסחורות והנוסעים בוצעה באמצעות סירות.
ב־9 בספטמבר 1940, במהלך מלחמת העולם השנייה, הפציצו מטוסים של חיל האוויר האיטלקי את תל אביב, ו־112 בני אדם נהרגו. בתקופת ההעפלה והמאבק בשלטונות המנדט, בשנות ה־40, מילאה תל אביב תפקיד חשוב: אליה הגיעו אוניות המעפילים, בה נוסדה תעשיית הנשק במחתרת, וממנה פעלו ארגוני המחתרת. ערב קום המדינה גרו בעיר כ-200 אלף איש – כשליש מכלל היהודים שישבו בארץ ישראל.
תל אביב במלחמת העצמאות.
לאחר החלטת החלוקה של האו"ם בכ"ט בנובמבר 1947 פרצו קרבות בגבולותיה הדרומיים והמזרחיים של העיר תל אביב עם יפו, שעל פי החלטת האו"ם הייתה אמורה להיכלל במדינה הערבית כמובלעת בתוך המדינה היהודית. הקרבות בגבול יפו נסתיימו סמוך להכרזת המדינה, עם הניסיון לכיבושה בידי כוחות האצ"ל וכניעתה לכוחות "ההגנה", ברחו רוב תושביה הערבים ובתים רבים עמדו נטושים. עיריית תל אביב הפיצה כרוז שאסר על כניסה ליפו, אך ללא הועיל.
בה' אייר תש"ח 14 במאי 1948 הכריז דוד בן-גוריון על עצמאות המדינה בגלריה האחורית (בשל היותה ממוגנת) של בית דיזנגוף משכנו של מוזיאון תל אביב אז, בשדרות רוטשילד 16. 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.
לפני קום מדינת ישראל שכנו בסמיכות לעיר מספר כפרים ערביים שאינם קיימים יותר כיום. הכפרים הם שייח' מוניס ששכן היכן שאוניברסיטת תל אביב כיום, ג'רישה וג'מאסין אל ע'רבי ששכנו דרומית לשכונת בבלי של היום, סומייל ששכן בצפון מזרח צומת הרחובות אבן גבירול וארלוזורוב, ואבו כביר וסלמה ששכנו בדרום העיר. מרבית הכפרים הערבים ננטשו במהלך קרבות מלחמת העצמאות וסופחו לתל אביב. על בתי הערבים שננטשו ושלא נהרסו במהלך הקרבות חל חוק נכסי נפקדים. בבתים השתכנו יהודים תושבי יפו, שהפכו בעצמם לפליטי המלחמה, ועולים חדשים.
לאחר קום המדינה.
במאי 1949 הוסר הממשל הצבאי מעל יפו והיא הפכה ל"מִינהל יפו" במסגרת עיריית תל אביב. ב-24 באפריל 1950 הוכרז רשמית על ביטול עיריית יפו למפרע מ-1 בינואר 1950, העברת חלק משטחיה לידי חולון ובת ים והעברת שאר השטח וכלל הנכסים וההתחייבויות של יפו לעיריית תל אביב, בשם "תל אביב-יפו". נכון לשנת 2010 חיים בה כ־20,000 ערבים ישראלים, רובם צאצאי הערבים שנותרו בעיר למרות המלחמה.
לאחר קום המדינה ידעה העיר מספר גדול של שינויים בהתפתחותה. מפריחה וגדילה מואצת בשנות ה־50, דרך עזיבת העסקים והסטת מוקד המגורים לטובת הפרוורים משנות השישים עד לשלהי שנות השמונים, והחל משנות התשעים 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 בלבד. בשנת 1975 איבדה תל אביב את מקומה כעיר המאוכלסת בישראל לטובת ירושלים. מ־1989 ניכר גידול במספר התושבים, אשר נבע מקליטת גל העלייה מברית המועצות לשעבר מראשית שנות התשעים ובשל חזרת תושבים לעיר.
ההתפתחות האורבנית של העיר ידעה מספר מגמות בתקופה זו: התרחבות צפונה משנות ה־50 ועד שנות ה־70, תחילת התחדשות מרכז העיר בשנות ה־80, פיתוח מרכז העסקים שסביב נתיבי איילון החל משנות ה־90 במקביל להתחדשות ועיבוי עירוני מרכז העיר בעשור הראשון של המאה ה־21. בשנות ה־60 נהרסו שכונות מצוקה בעיר, ופינו את מקומן לשכונות חדשות. שכונת מנשייה היפואית נהרסה בתקופה זו והיה תכנון להרוס חלקים מנווה צדק ואף את יפו העתיקה. תוכניות אלה הפכו לתוכניות שימור, ויפו העתיקה אכן שוקמה ושומרה במאמץ רב של העירייה. אולם, החיבור האורבני בין תל אביב ויפו נותר שנוי במחלוקת.