V roce 1845 byla do Stuttgartu dovedena železnice a ve městě propukla naplno průmyslová revoluce. Díky vznikajícím továrnám se do města začali stěhovat dělníci s rodinami a Stuttgart během krátké chvíle ztrojnásobil počet obyvatel (v 1834 mělo město 35 tisíc obyvatel a v roce 1871 přes 91 tisíc). Město se stalo sídlem průkopníků automobilového průmyslu jako Karl Benz, Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach či Robert Bosch. V roce 1871 došlo ke sjednocení Německa a začlenění království do nově vzniklého Německého císařství. Během první světové války podnikli spojenci dva nálety na město s cílem na místní kasárny. Po porážce Německa ve válce proběhla v roce 1918 ve Stuttgartu tzv. Listopadová revoluce, která svrhla království a zavedla novou republiku. V roce 1920 se na krátkou dobu stal Stuttgart sídlem německé vlády, protože v Berlíně probíhal tzv. Kappův puč.