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旧小西領のうち天草は熊本藩に含まれず、 寺沢広高の肥前唐津領飛び地とされた。これには、一度は熊本藩領とされたが、熱心な法華信者だった加藤清正がキリシタンが根付く当地を嫌い、豊後鶴崎との交換を申し出て慶長8年（1603年）に認められたとも言われるが、後の研究で少なくとも慶長6年の段階で熊本藩領には天草が無く鶴崎がある事、肥前唐津藩の天草支配を示す証拠が見つかっていることから、疑問も呈されている。天正15年（1587年）発布されたバテレン追放令以降も、小西行長配下となった天草衆によるキリスト教保護は続き、天草諸島はキリシタンの本拠地となってゆく。大友氏の衰退に伴い、豊後にあったノビシャド（修練院）やコレジオ（大神学校）が天草に移り、河内浦にノビシャド・天草コレジオが建てられ、イエズス会の司祭や修道士たちが滞在して布教に当たる傍ら、活版印刷機を導入し『イソップ物語』や『平家物語』また辞典などの出版活動も行われた。文禄元年（1592年）には天草4箇所にレジデンシア（司祭館）が、慶長4年（1599年）には長崎から移されてセミナリヨ（小神学校）が志岐に、そして翌年には天主堂が7箇所に建設された。天草諸島住民の過半はキリスト教に帰依していた。一度は洗礼を受けイエズス会に協力的だった寺沢広高だが、慶長9年（1604年）に転じて弾圧側に廻った。この態度は、純粋な宗教的動機ではなく政治的な思惑によるとされる。慶長18年（1613年）幕府が宣教師追放令を出すと、寺沢氏は宣教師を外国に追放し、レジデンシアの取り壊しに乗り出した。キリシタンの指導者たちは転宗するまで拷問を受け、一般の信者たちも代官から改宗を迫られた。その一方で寺沢氏は天草に対し強圧的な支配を下していた。肥前唐津藩による検地の結果、天草の石高は米の取れ高で3万7千石（この他、商品作物や漁業・塩業など5千石があり、天草総石高は4万2千石）とされたが、これは実力が伴わない過大なものであり、背景には寺沢氏が自藩を大きく見せかけたい見栄によるものと考えられる。しかし領民にはあくまで石高相当の租税が課され、ほぼ同じ状況下にあった島原領民ともども搾取に苦しめられた。島原の乱は寛永14年（1637年）10月、島原の代官家襲撃に始まるが、ほぼ同じ時期に大矢野でも農民が立ち上がった。彼らは、小西行長の旧臣・益田好次の子天草四郎を「ママコス上人（マルコス・フェレイラ神父）が預言した天童」と奉じて蜂起した。連絡を受けた唐津藩は1500の軍を送ったが一揆方はこれを破り、本渡に進んだ。さらに天草支配の本拠・富岡城を取り囲んだ。しかしなかなか落とせず、やがて熊本藩からの討伐軍が来るという噂が流れたため、一行は島原に渡った。その後、篭った原城址で九州諸藩軍の総攻撃に曝され、ただ一人の内通者を除きすべて討死した。四郎時貞を討ち取ったのは熊本藩の陳佐左衛門だった。乱の後、島原の松倉氏は改易、天草は寺沢氏から備中国成羽藩の山崎家治領地に鞍替えされた。この際、成和藩による調査では米の石高38,732石のうち6,732石が失われ3,302石が荒らされたとある。家治は富岡城修築などに乗り出したが、寛永18年（1641年）讃岐国丸亀藩に転封となった。以後天草は天領となり、代官鈴木重成が着任した。
秀吉の九州統一の際に相良家存続に奔走した深水宗方は、自身の後継の奉行としての犬童頼安の嫡子である犬童頼兄を指名したが一族の反対に遭い、頼兄と甥である深水頼蔵の二人を後継とした。当主の相良頼房も朝鮮出兵の際に深水頼蔵を軍師（あるいは参謀）、犬童頼兄をその補佐としたが、両者は大変不仲であり、その影響もあってか朝鮮出兵の留守を狙い深水一族は騒動を起こしたり、加藤清正を頼り佐敷に逃散するなどしたがことごとく失敗し、頼蔵は清正に就き従い蔚山の戦いで死去、頼兄は相良家に於ける地位を高めていった。威風を確たるものにした犬童頼兄は関ヶ原の戦いでも徳川方との密通で活躍し、相良家安泰に貢献したが、後に専横のふるまいが目立つようになった。頼房は遺言に頼兄征伐を残し、継いだ頼寛は断罪を幕府に申し出た。寛永17年（1640年）頼兄らは江戸に呼び出され、稲葉正利預かりとされる。人吉に残った一族は屋敷に立て篭もり反抗したが、これも鎮圧された。頼兄は最終的に津軽へ流刑となり、その地で没した。人吉藩相良家は、江戸時代の諸藩の中では島津氏とともに最古から続く家系となった。石高は2万2千石とされた。近世人吉城建築は文禄年間から始まっていたが、本格的には慶長12年（1607年）からとされる。人吉藩では兵農分離は行われず、各村には郷侍が居住していた。
寛永9年（1632年）、肥後国に細川忠利が入った。一行は先頭に加藤清正の零牌を掲げ、熊本城に入場すると先ず清正公廟に遥拝したという。隠居していた先代・忠興は八代城に入った。戦国時代、主君の死に臨み家臣が追い腹を切る風習があり、これは江戸時代初頭まで続いた。細川家では寛永18年（1641年）3月に藩主細川忠利が、正保2年（1645年）閏5月には弟・立孝、同年12月には前藩主・忠興が、慶安2年（1649年）には藩主光尚が没した。このそれぞれの際、何人もの殉死者が現れた。この時の出来事を元に森鴎外は『阿部一族』『興津弥五右衛門の遺書』を著した。この作中、殉死した阿部弥一右衛門子孫の悲劇を物語っているが、現在ではこれは史実に則していないとされる。一方、細川光尚が没した際、嫡子・細川綱利はまだ6歳であり、後継問題が生じた。幕府は熊本藩に薩摩の抑えを役割づけていたため、幼少藩主では心許ないと考え、国替もしくは宇土の細川行孝と熊本藩を二分する案も提示された。しかし、家臣が過去の功労を挙げ、また光尚の忠節溢れた遺言が好を奏し、細川家は分裂の危機を逃れた。綱利は成長後の寛文6年（1666年）、弟・利重を分家させて肥後新田藩（江戸鉄砲洲に屋敷を持ったが、後に肥後高瀬に移したことから高瀬藩とも称する）を創設し、支藩としての役割を持たせた。
熊本藩は寛永12年（1635年）、領内全域に「手永」（てなが）という地方行政区域を設定し、それぞれを管轄する惣庄屋を置いた。この手永とは郡と村の中間に当たる区分で、細川氏が豊前小倉藩時代から行っていた制度を適用したものである。惣庄屋には多く大庄屋や旧菊池・阿蘇氏家臣などが任命され、それぞれの手永には会所と呼ばれる役所が置かれた。そこで惣庄屋は年貢の請負や民政の運営に当たった。当初手永は領内に100箇所以上設定されたが、統廃合を繰り返して承応2年（1653年）には59へ、そして後には51まで減らされ固定化した。江戸時代中期になると手永は地方行政の基本単位としての性格を強め、郡単位であった代官を手永単位に置き換え、さらには代官を惣庄屋の兼任職とするなどの改訂が行われた。また、世襲制だった惣庄屋もやがて任命制へと変わり、転勤なども実施されるようになり官僚的性質を帯びた。
熊本城下町は、清正の時代に基本構成が出来上がった。築城に先立ち、白川と合流していた井芹川を分離し有明海に注ぐように付け替えた。また、坪井川も白川とから井芹川へ流れ込む様に変え、それぞれが熊本城の堀として機能するようにした。城の周辺には武家屋敷を置いたが、普請のために古町・新町や坪井、そして京町の一部に町人街が形成された。長六橋は、この頃初めて造られた城下で唯一白川に架かる橋であった。細川氏入部後も町は発展し、整備が続いた。寛永13年（1634年）には細川忠利によって水前寺が建立され、これは木山方向への街道に沿った茶屋として発達し、細川綱利時代には桃山文化風の回遊式庭園・成趣園が完成した。享和3年（1803年）には成趣園横に藩営の製蝋所が建設され、この蝋運搬には加勢川から江津湖を経て川尻まで水運された。中世の阿蘇は、神亀3年（726年）縁起とされる西巌殿寺を中心に僧侶修行や山伏修験の地でもあった。しかし戦国時代に衰退し、秀吉の九州統一の際に焼き払われた。これは清正の時代に、黒川村（現：阿蘇市黒川町）に再興された。江戸時代には大峰修行の傍ら「阿蘇講」と呼ばれる観光案内も行われた。宝暦年間（1751年 - 1763年）頃からは温泉地としても知られるようになり、文化・文政期（1804年 - 1829年）には杖立温泉に「湯亭」という温泉業者が現れ、造り酒屋なども建てられた。保元2年（1157年）に宇野親春が発見したという説が残る山鹿温泉は、既に『和名類聚抄』に山鹿郡温泉郷として記述されている。肥後国人一揆の舞台ともなった山鹿は、江戸時代には豊前街道の宿場町として、また温泉町として発達した。細川忠利は寛永17年（1640年）に山鹿御茶屋を設け、ここに尾家義辰と宮本武蔵を招いている。古い由緒があるという当地の民芸品山鹿灯籠は、和紙生産の好地であった当時の山鹿を背景に発達し、寛永9年（1632年）将軍に献上された。また、山鹿灯籠まつりも江戸時代に盛んになったとされる。小西氏改易の後宇土城は廃城となったが、細川氏時代には宇土支藩が置かれ、細川行孝が初代藩主となった。ただし城は建設されず、陣屋を拠点とした。彼は、轟水源の湧水を陣屋まで引き込む轟泉水道を建設しているが、この費用は祖父・細川忠興の茶入れや掛け軸などを本藩に売却して得た。八代城（松江城）は一国一城令の例外として残された。これは薩摩の抑え、そして外国船来航に備えるためとされる。細川氏は正保3年（1646年）、家老職の松井家を城代として入れた。この細川氏入部に従って上野焼のいくつかの窯元も肥後へ移った。このうち、忠興とともに八代入った上野喜蔵一族は奈良木で窯を開き、万治元年（1658年）には平山に場所を移した。これは八代焼、または在所の高田手永から取って高田焼と呼ばれた。李氏朝鮮の粉青沙器の流れを組む象嵌陶器を製作し、藩の御用窯として保護を受けた。また、八代の特産物としては高田蜜柑が以前から知られており、天正2年（1574年）紀州有田の伊藤孫右衛門が八代から苗木を持ち帰り蜜柑栽培を導入したという説もある。高田蜜柑は九州遠征時の秀吉への、加藤氏時代から幕府への献上品にされた。人吉の城下町は、青井阿蘇神社の門前町が中心だったが、近世人吉城が建設されてから市域が東側へ拡大して形成された。これは慶長12年（1607年）から寛永16年（1639年）頃に出来上がったものとされる。人吉藩では「小成物」と呼ばれる特徴的な納税制度があり、米以外に綿・茶・漆・楮、または薪や木材・果物など多様な品物が納められた。特に五木地方の茶と木材は質の高さで知られた。これらは商品性が高く藩外へ供給されたが、その商取引や運輸を扱う川船問屋など商人が発達したのも人吉の特徴であった。代官・鈴木重成は天草の郡村行政体制を整備し、復興のために近隣藩からの協力を得て移農を進めた。しかし、寺沢氏が一度幕府に届け出た4万2千石という数字に付きまとう徴税は如何ともしがたく、重成は繰り返し幕閣に表高の半減を働きかけた。だが先例主義の幕府はなかなか承諾せず、ついに重成は江戸に出府して願書を提出し、自刃した。この重成の死は幕府を動かし、万治2年（1659年）の再検地によって天草の石高は2万1千石に改められた。石高の減少は間違いないが、自刃については、病死説もある。その後寛文4年（1664年）、天草は三河国の戸田忠昌の所領とされたが、6年後に移封される際忠昌は民衆の労苦を思い、天草を天領とすべしとの建議を提出し認められた。戸田氏は富岡城の本丸・二の丸を破却し、これは「戸田の破城」と呼ばれる。平地が少ない天草地方は、干拓で得たわずかな田畑のほかにサツマイモが食生活を支える重要な農産物であった。天草では「カライモ」「カンチョ」「カンボ」などと呼ばれるサツマイモは、記録上では『天草年表事録』の享保10年（1725年）にある記述が初出だが、これは江戸・小石川に導入された時期よりも古い。また海産物も重要な食材であった。下島最南端の牛深で盛んなイワシ漁は天正11年（1583年）に紀伊国から移り住んだ岩崎六兵衛が伝えたと言われる。イワシは食用のほか、カツオ漁の餌や干鰯として商品化され、地域の経済を支えた。
肥後54万石という石高は、天正16年（1588年）に行われた太閤検地で明らかになった数字である。入部した加藤清正は領内の治水や新田開発を積極的に進め、各河川の改修や井手（用水路）・堰の建設などを行った。白川流域の瀬田上井手・馬場楠井手、緑川の鵜の瀬堰、球磨川下流の遙拝堰などが清正治水の例に挙げられる。これらによって慶長13年（1608年）の検地では、肥後石高は75万石にまで上がった。このような大規模な開発は国人割拠の時代には不可能であり、恩恵を受ける民衆は過去を顧みることはなくなり、清正人気をさらに高めた。細川氏時代になっても有明海干拓などによる新田開発は続いた。江戸時代後期、農村の疲弊が問題になると惣庄屋層が救済を目的に行う灌漑工事が増えた。その代表例になる通潤橋は、矢部手永の惣庄屋・布田保之助が立案計画し、種山石工らが架橋して完成を見た。この橋によって水に乏しい白糸台地40町への通水が可能となった。布田はこの他にも13の石橋を建設、溜池や用水路設置、道路整備などを進めた。この通潤橋建設の手本となった雄亀滝橋は、計画・惣庄屋三隅丈八、施工・岩永三五郎によって架橋された。後、三隅丈八は明治政府に招かれて東京日本橋や皇居の二重橋建設にも関与するなど、肥後の石工技術の高さを示した。人吉盆地球磨川上流には、支流まで加えると総延長数十kmに及ぶ農業用水路・百太郎溝がある。この建設は16世紀末に始まるとされ、球磨川に設けられた百太郎堰から多良木村までが作られた。以後工事が続けられて支流の原田川まで繋がった水路は流域の田畑を潤した。何を由来に名づけられたか判らない水路は、多くの百姓が労力をかけて建設されたものである。元禄期からは藩士・高橋政重が主導し、幸野溝が設けられた。これらの灌漑溝は、新たに1万石以上の新田開発を可能にし、また木材の運搬にも用いられた。
古代から豊かな農産地として知られ、藩による治水灌漑が盛んに行われた肥後も、江戸時代に起こった飢饉の影響を免れることはできなかった。寛永11年（1634年）の凶作、翌年の大風雨がもたらした田畑や家屋への被害に始まった寛永の大飢饉は高齢者や病人など弱者を中心に多くの餓死者を生んだ。これは、島原・天草の乱を引き起こした一因ともされる。寛永18年（1641年）は最悪な状況となり、害虫の発生による田畑への被害は種籾の確保にも支障をきたす程で、幕府や藩は対応に追われた。享保の大飢饉では、既に享保14年（1729年）頃から旱魃や大風などによる収穫減は始まっており、また厄介な螟虫が発生し充分な駆除が出来ないままに享保17年の長雨と冷夏を迎えてしまった。収穫は平年の11%程にしかならず、御救米の拠出などの支出が重なり、熊本藩の財政は悪化した。そのため藩札発行許可を幕府から得たが、現銀の準備が無いままに発行された銀札は信用に劣り、割引率の高さや取り付け騒動などが起こり、早々に停止された。細川宗孝の時代、寛保二年江戸洪水があり、西国大名の手伝い普請のために、藩の財政は悪化した。享保年間以降、肥後は断続的な飢饉に見舞われ続けた。天明の大飢饉の頃には村々の囲米が底をつき、農村から都市部へ出て乞食をして食いつなごうとする者も多かった。天明3年（1783年）に肥後を旅行した古川小松軒は、棄農者が熊本へ向かう道中で餓死した様などを伝え、耳にしていた熊本藩の仁政も虚像だったのだと記録した。この時期、幕府は浅間山噴火の被害を受けた信濃川などの修復普請を熊本藩に命じており、自藩の状況に関わらず出費を強いられていた。寛永3年（1791年）4月朔日、2度の大地震によって島原・眉山が崩落、大量の土石流が海に注いで津波を起こし、有明海沿岸に大きな被害をもたらした。熊本藩では死者5520人、家屋流出2252棟、田畑約2252町が損害を受けた。天草天領では死者343人、田畑の損害は約65町に上った。
熊本藩は一揆が少なく、それは強固な地方支配の傍証とまでされていた。しかし近年、実際には約90件の一揆が領内で勃発し、人吉や天草を含む近世の肥後国では100件を越えていたことが明らかになっている。これは、西日本では伊予国と並んで最頻の部類に当たる。熊本藩で起こった一揆の特徴は、先ず規模の小ささがあり、300人以下の一揆が多かった。またその理由についても、租税など賦役の減免を求めるものと並び、藩札の信用不安に基づく都市騒動、庄屋や村役人の罷免要求も多かった。ただし惣庄屋排斥を掲げた一揆の記録は無く、逆に寛政元年（1789年）には惣庄屋転出に反対し矢部の農民が熊本城に押しかけるという例もあった。延喜4年（1747年）には7000〜8000人が参加した熊本藩最大の一揆が葦北郡で起きているが、これも堤防工事で尽力し農民に理解を示していた郡代・稲津弥右衛門の罷免取り消しを求めた強訴だった。寛政年間の頃には、凶作や御普請御手伝などの原因から人吉藩は財政が貧窮していた。武士の家禄返上など倹約策が続く中、文政4年（1821年）家老職に就いた田代政典による改革を断行し、殖産興業策として苧・楮・椎茸などの栽培と座による専売を実施した。この計画のため椎茸を栽培する山への立ち入りが禁じられ、折からの凶作による飢えを山菜などで凌いでいた農民の反発を買った。天保12年（1841年）2月2日に始まった一揆は椎茸山を打ち壊し、9日には総勢15000人の一揆方が町中で特権階級業者の屋敷などを襲った。これは「茸山騒動」と呼ばれる。一揆側には門葉（相良一族、小衆議派と呼ばれる）の相良左仲頼直がつき、農民の要求を藩に受け入れさせることで一揆は収束した。田代政典は自ら自害に及び、相良左仲は一揆先導の嫌疑にて切腹の命に服した。天領天草では、銀主（ぎんし）と呼ばれる有力者による実効支配が進んだ。商工業や貸金などで蓄財し、田地の買占めを行った銀主は農民の小作・貧農家を促進した。現在の五和町にあった石本家は薩摩の調所広郷と協力して琉球貿易を行ったり、幕府への貢納が評価され帯刀を許されるなどの権勢を誇った。飢饉や大庄屋の不正（明和8年（1771年）の「出米騒動」など）によって鬱積した農民の不満はやがて銀主に向けられ、打ちこわしや松平定信への農民駕籠訴などが生じた。これらを受け、寛政5年（1793年）と8年（1796年）には「天草郡百姓相続方仕法」（あまくさぐんひゃくしょうあいつづけかたしほう）が発令された。特に後者は「天下無双の徳政」とまで言われた、農民側に立った画期的政策だった。だが、文政9年（1826年）に仕法運用期間が切れ3年後に大凶作が襲うと、銀主と仕法復活を望む農民の間で対立が激化し、天保14年（1843年）と弘化2年（1845年）には大一揆が勃発した。天保大一揆では25000人、弘化大一揆では最大15000人が加わった。弘化年間の一揆では幕府は強硬策に出て、長崎代官や島原藩からの出兵により鎮圧。146人の逮捕と首謀者の獄門で対処した。農民に対しては、不充分ながら施行された仕法が幕末まで断続的に行われ、多少なりとも不満を慰撫した。
江戸中期の熊本藩財政は厳しい状態にあった。その頃に当たる延喜4年（1747年）、第5代藩主細川宗孝が江戸表で遠江国相良藩の旗本・板倉勝該に殺傷された。人違いの末の事件だったが、宗孝には子が無かったため弟の細川重賢が跡目を継いだ。重賢は長い江戸藩邸での部屋住み時代に、学問に打ち込むかたわら、自藩の貧窮状態を実感していた。彼は肥後入国以後次々と宝暦の改革と呼ばれる政策を打ち出して藩の建て直しを行い、熊本藩中興の祖と、また「肥後の鳳凰」と賞賛された。重賢は入国とほぼ同時に「申聞置条々」を示し、まず綱紀粛正を打ち出した。次いで、財政再建や行政・刑法改革、殖産興業や藩校時習館創立など、また検地を実施し領内年貢課の不公平を是正するなど、次々と手を打った。この一連の改革において重賢の右腕となったのは、御用人から抜擢を受けて大奉行となった堀勝名であった。宝暦の改革の中で特筆すべき一つは、日本最初の刑法典とされる『刑法叢書』の編纂がある。従来の追放刑を廃止して鞭打ち・懲役刑を追加し、受刑者には藩の公的作業を通して技能習得をさせるなど生活支援も行った。殖産興業ではハゼノキや八代の干拓地で栽培されたイグサの育成、藩直営で行われた木蝋製造がある。養蚕も奨励されたが、その結実は寛政期以降になってもたらされた。宝暦4年（1754年）（宝暦5年-1755年ともされる）重賢によって設立された藩校時習館（総教は長岡忠英）は、藩政刷新を担う藩士育成にあった。寛文年間（1661年 – 1673年）熊本で最も盛んな学問は陽明学だったが、幕府の方針に倣い朱子学中心へと移行していた。4代藩主細川宣紀は昌平黌出身の秋山玉山を重宝し、玉山は宗孝にも仕え、そのまま重賢の時習館で初代教授職に就任した。ここは、藩士のみならず、足軽や陪臣、果ては庶民の子弟でも承認を受ければ入館できた。ここには武芸所も併設され、生徒は文部両道の教育を受けた。時習館とほぼ同じ宝暦6年（1756年）、すでに私塾を持ち、重賢を治療した医師・村井見朴は細川重賢の命で医学校である再春館 (学校)を宮寺村（現・二本木）に創設した。これは薬園・蕃滋園を持ち、医学とともに薬学も研究された。ここでは殖産興業の一環として朝鮮人参の栽培研究も行われた。
文化2年（1805年）、天草で大量の隠れキリシタンが発覚する事件（天草崩れ）が起きた。その2年前、今富村（現：河浦町）で牛が殺される事件があったが、これは祝日に牛を神に捧げるキリシタンの行為ではとみなされ、極秘に調査が行われていた。この探索には国照寺住職の大成と今富村庄屋の上田友三郎が当たっていた。その結果、4つの村に総勢5200人の信者がいることが判明した。この処遇について報告を受けた幕府は、稀に見る寛大な措置を取った。既に取り調べの段階で転宗を説得し、キリスト像の破却や踏絵または改宗を誓う文書の提出などが行われていたこともあって、最終的には「先祖伝来の風習を盲目的に受け継いでいた」だけとして誰一人処罰されなかった。この決定の背後には、友三郎の兄・上田宜珍の存在が影響したとされる。天草行政を委託されていた島原藩松平家は天領で伴天連騒動が起きることを恐れ、以前から宜珍ら庄屋層と接触を持っていた。「天草崩れ」発覚において信者説得に宜珍らは奔走し、事を穏便に済ませた。宜珍は天草民衆の貧窮解消にも心を砕き、質が高い地元産の天草石に眼をつけて陶器製造の検討にも乗り出した。かさむ物流費から陶器製造は頓挫したが、天草石そのものを砥石として販売する道筋を立てた。宜珍はまた、天草の歴史を伝える『天草嶋鏡』著述や、地図編纂のために訪れた伊能忠敬から測量術を学ぶなどの事歴を残した。江戸時代を通じて、天草は流罪の刑地でもあった。江戸や京・大坂などから遠島処分にあった罪人たちは、各村々に割り当てられた。彼らと村人の間ではトラブルも多く生じ、天草の住人や村役人たちは何度も流刑地免除願いを幕府に提出したが、認められることは無かった。その一方で、天保3年（1832年）に讒言で罪を得た知恩院門主の大僧都・定舜上人（残夢道人）は当地で学問を授けるなど、その高い徳から尊敬を集めた。上人は明治政府の特赦を得たが、天草へ止まり、1875年（明治8年）に生涯を終えた。
文化6年（1809年）に生まれた横井小楠は秀才の誉れ高く、時習館寮長を経て江戸遊学を許された。その地で藤田東湖などとの交流を持ち、水戸学の影響を大いに受けた。酒の失敗で帰国し謹慎中、彼は勉学を通して訓詁学的朱子学を教える時習館を否定する側に回り、李滉学派の儒者・大塚退野の影響を色濃く受け、道理の実践を重視する思想を身につけた。これには家老の長岡是容らが賛同し、共に学びながら、やがて政治改革を思考する「実学党」結成へと発展していった。幅広い支持を受ける実学党は、奢侈排除や農村復興、特権商人排斥などを掲げる「時務策」を示して藩政に意見した。これには主流派であり時習館教義を採る保守傾向を持った「学校党」の反発を生み、両者は長く対立することになる。弘化年間に交流があった江戸の徳川斉昭らが蟄居の処分を受けると実学党も影響を被り、長岡是容は家老職を罷免されるなど発言力を急速に失った。その後、安政年間に実学党は、是容を中心とした「明徳派」（坪井派）と、小楠中心の「新民派」（沼山津派）に分裂する。当の横井小楠は魏源の『海国図誌』に影響され、開国と富国強兵策を奉じるが、熊本藩では理解を得られず、松平春嶽の求めに応じて福井藩へ活躍の場を移した。また、熊本藩には国学を掲げる「勤皇党」も生まれた。 高本紫溟は本居宣長とも親交があり、時習館の教授職時代には同館に国学教科を加えもした。思想家林桜園は紫溟の弟子・長瀬真幸に学び、熊本城内の千葉城に私塾「原道館」を創立し、2000人ともいわれる弟子に国学を教えた。
幕末、人吉藩は新宮行蔵らが教える山鹿流兵法が主流だったが、幕府の講武所で世話役を務めていた松本了一郎が洋式兵制を持ち込み、両者の対立が激化した。文久2年（1862年）、城下の火災で武具類が焼失したことを期に松本らが藩の武装を洋式へ切り替えるよう主張したが、藩主・相良頼基は許可しなかった。慶応元年（1865年）、洋式派が頑なな頼基を廃する計画を立てているとの噂が流れ、藩は山鹿流派に松本らを討たせた。これは丑歳騒動と呼ばれ、洋式派に同情が寄せられた。藩は武装の再整備に一部洋式を取り入れたが、慶応3年には次代の趨勢に乗り洋式兵制へ全面的に切り替えた。この際、人吉藩は指導を薩摩藩から受けたが、その影響によって公武合体から倒幕への傾斜が強まっていった。
元治元年（1864年）8月、幕府は九州各藩に長州への出兵を命じた。佐幕派となった熊本藩もこれに応じ、沼田勘解由率いる一番手2393人が小倉へ向かった。11月には有吉将監の二番手5436人、さらに長岡護美の3785人が続き、徳川慶勝配下に加わった。この際には長州藩の内部分裂もあり、戦闘には至らなかった。しかし慶応元年（1865年）、長州の実権を倒幕派が握ったことなどから幕府はふたたび長州の討伐を実行に移した。熊本藩はこれに批判的ながら出兵に応じ、前回同様小倉に赴任した。幕府老中・小笠原長行指揮の下戦闘が始まったが、多くの藩や幕府軍までもが傍観を決め込み、小倉藩は苦戦した。熊本藩は唯一救援要請に応え、赤坂方面で長州軍を退けた（赤坂・鳥越の戦い。現在の北九州市立桜丘小学校付近）。しかし大局は長州側に歩があり、将軍・徳川家茂の訃報が伝わると幕府側は敗走した。小倉藩は香春まで退却し、当時6歳の幼君豊千代丸（のちの小笠原忠忱）や家臣の家族たちは熊本藩が保護した。一行の熊本滞在は半年間に及んだ。
幕末の、改革に向かう胎動は肥後では具体的な形になって顕れることは無かった。明治3年（1870年）、藩所有の軍艦「龍驤」を新政府に献上するにあたり、当時の藩主・細川韶邦は「当藩は、維新への貢献が何もない」と語っている。これは、地方ゆえに中央の情報から隔絶されていたわけでは決して無い。大塩平八郎の乱の詳細が船津村（現：熊本市）地蔵講帳に記載され、ペリー来航を描いた黒船の絵が小国町役場文書から見つかっている程である。幕府が命じた相州警備では、熊本藩士が現在の横浜市本牧や相模で任に当たっている。このような世情が背景にあったのか、安政5年（1858年）8月上旬に現れた彗星に、肥後の民衆は社会の激変を予感していた。しかし、熊本藩は諸党が議論を戦わせるばかりで、藩論の一致を見なかった。鳥羽・伏見の戦い直前は佐幕派が主流だったが、徳川慶喜が敗走し追討令が下されると勤皇側の意見が強まった。しかし、大政奉還が成り明治時代に入っても藩内は議論ばかりで行動が伴わず、細川護久は嘆いたという。慶応4年/明治元年（1868年）になってやっと米田虎之助率いる500の兵が出兵して東北戦争に参戦し、維新側恭順の態度を示した。明治2年（1869年）には護久の弟・津軽承昭が婿養子として藩主を務める津軽藩を支援するため、アメリカ合衆国の船ハーマン号を雇い350人の兵を送り出したが、房総半島沖で座礁し200人以上が溺死する事件も起こった。明治新政府は人材を各藩にも求め、熊本藩からも細川護久が議定兼刑法事務総督、弟の護美が参与、江戸留守役の津田信弘が刑法事務掛、その他刑法掛に複数の藩士が任命された。これら刑法分野への多さは、宝暦の改革以後運用されていた『刑法叢書』が評価されたためである。一方で横井小楠の召し出しに熊本藩は難色を示したともいう。この情勢の中、藩論も変わらざるをえず、それまで発言力が無きに等しかった勤皇党も存在感を増し、鶴崎に勤皇党の河上彦斎を隊長とした長州の奇兵隊のような性格を持つ軍隊を組織した。
小説家徳冨蘆花は、作品『竹崎順子』の中で登場人物に「肥後の維新は明治3年に来ました」と語らせている。幕末の動乱や凶作に曝される熊本の民衆にとって、「御一新」と呼ぶに相応しい変革は明治3年を待たなければならなかった。明治2年（1869年）の版籍奉還後、熊本藩も藩政と家政の区別や家臣団の改組などを行ったが、人事的には旧態を引き継ぎ、あまり積極的な改革を施さなかった。この攘夷派を抱え込んだままの熊本藩に新政府は不信感を募り、政府に属する細川護久らは対応を迫られ、知藩事を勤める兄・韶邦へ改革の必要性を説いた。また同時期、実学党も行動を起こし、大久保利通や岩倉具視らとの接触を持って改革の必要性を実感していた。このふたつの動きは示し合わせたものではなかったが、目的が一致した両者は共同歩調を取る。明治3年3月26日、細川韶邦は病気を理由に隠居を決め、5月8日に護久が藩主の座に就いた。護久は実学党とともに、竹崎律次郎や徳冨一敬が起草した改革に着手した。7月17日、改革綱領に則り上米など雑税を廃止する知事布告が出され、同時に民衆に対して過去の治世を遺憾とする声明を発表した。この、為政者として極めて珍しい反省の弁とともに実行された減税は、当時の農民に課せられる負役の三分の一に匹敵した。また、常備兵や鷹場の廃止も実施され、これらは庶民層から厚い支持を受けた。また、新たに熊本洋学校と古城医学校（ふるしろいがっこう）を、現在の熊本県立第一高等学校がある場所に設立した。洋学校はアメリカ退役軍人のリロイ・ランシング・ジェーンズを迎え明治4年（1871年）9月1日に開校した。そこでの授業はすべて英語で、旧制中学校程度の文学や歴史地理、数学、物理化学などをジェーンズひとりが講義した。同校は男女共学の全寮制であり、学校教育にとどまらず近代的な文化や生活様式を熊本に広める意味でも大きく役割を果たした。ただ、これら新設された学校は以前から存在していた時習館や再春館の系譜を継がず、完全に別なものとして創立された。このような形態は以後県政を握った政党によって繰り返されることになる。また、この洋学校はプロテスタント派キリスト教集団である熊本バンド結成の母体ともなった。学校の教師館はコロニア様式で建設された熊本初の洋風建築物であった。古城医学校の教師には長崎からコンスタント・ゲオルグ・ファン・マンスフェルトを3年間契約で連れてきた。緒方正規、浜田玄達らは途中で東京大学に去ったが、北里柴三郎は最後まで残った。
民衆には圧倒的に支持された実学党政権は、しかし改革要領に定めた役人公選制や議院設置は実行できなかった。鶴崎の毛利空桑や河上彦斎が、長州藩で農民一揆と結託し追われた大楽源太郎らを匿い、明治3年には密偵を斬る事件が明らかとなった。彼らは処罰を受け、熊本藩は政府に目をつけられた。細川護久は藩内に依然燻る反抗の気分に嫌気が差し、明治4年（1871年）3月、政府に辞意を示した。廃藩置県を目前にした政府は一旦慰留し、7月の実行を待ってこれを認めた。弟で参事の護美も同調し、辞職の上翌年にはアメリカへ旅立った。新たに成立した熊本県の政務を実学党は維持するが、思わぬ逆風が彼らを襲うことになった。明治3年末、大分県日田郡で大一揆が勃発した。政府は周辺藩に鎮撫隊を派遣させ熊本も軍を送ったが、当地で意外にも彼らは農民からの歓迎を受けた。一揆は、「肥後支配同様雑税免除」（熊本藩のような減税）を要求したもので、農民にとって熊本軍は悪政に対する解放軍とみなされた。このような減税を求める一揆は鹿児島県を除く熊本周辺の各国で1873年（明治6年）頃まで頻発した。これは新政府にとって好ましからぬ事態であり、熊本県に安岡良亮を派遣して実学党を県政から排除した。中途に終わった短い期間だったが、熊本の維新は民衆には強く歓迎された。その痕跡を、10基ほど確認されている「知事塔」に見ることができる。現在の産山村や阿蘇市および大分県にも見られるこの石塔は、地域では「チイさん」「チシさん」とも呼ばれ、細川家の九曜紋と「村々小前共江」の文が刻まれている共通点が見られる。これらは明治初期に建立されたものや、もっと時代が下り建てられたものもあるが、いずれもかつてない減税措置に踏み込んだ県政に対して感謝を、またはその後苛烈に廻った政策に苦しみ過去を懐かしむ想いから地域が出資して作られたと考えられている。熊本洋学校の男女共学制は海老名弾正など一部上級生の反発を招いたが、逆にジェーンズに説得されて賛同側に廻った。女性第一期生の徳富初子と後に海老名の妻となった横井みや子らは、後に熊本女学校（現：熊本フェイス学院高等学校）や東京の女子美術学校（現：女子美術大学）創立にも大きく関係し、女性の社会的活動を広げる役割を担った。しかし、革新的な西洋風そしてキリスト教色が強い学風は危惧の眼で見られた。学内はキリスト教派と反対派に分裂し、大激論が展開された。さらに、子弟のキリスト教帰依を好ましく思わない実学党のメンバーも棄教を迫った。明治9年（1876年）、この状況に見切りをつけたジェーンズは、海老名弾正らキリスト教派生徒35名を京都の同志社へ入学させ、熊本を去った。同年9月、熊本洋学校は閉鎖された。一方の古城医学校は、私立熊本医学校、熊本医科大学を経て1949年（昭和24年）に熊本大学医学部となった。この医学校からは、北里柴三郎と助手の石神亨、フローレンス・ナイチンゲールに影響を受け産婆看護婦学校設立に寄与した佐伯理一郎らが育った。
1873年、新政府内では征韓論争が巻き起こっていた。勤皇党出身の宮崎八郎は上京中に『征韓之儀』を上奏し、また台湾出兵では義勇兵を募るなどの行動を取っていたが、やがて反権力思想を強めた。彼は中江兆民の『民約論』に大きな影響を受けて自由民権運動に身を投じ、1875年（明治8年）に熊本県初の中学校となる植木学校（第五番変則中学校）を設立した。ここではルソーやギゾーまたモンテスキューらの思想を教え、また県内外にオルガナイザーを派遣する拠点ともなった。なお、八郎の弟・宮崎滔天もまた民権運動に携わり、その後アジア革命に関わって亡命中の孫文を支援し、兄弟の生家に招くなどした。植木学校設立と同じ年、東京で開催された地方官議会では「地方民会の事」が議題となり、同時に行われた区戸長会議は「民会興隆之事」を諮問した。この動きを受け、熊本でも民権運動が盛んになり始めた。これには県政を追われた実学党も加わって、民会開設を求める論説が『熊本新聞』に掲載されるなど、世論を喚起する行動も見られた。この動きを受け、1876年（明治9年）、熊本県は「臨時民会規則」を制定した。これはきわめて進歩的な制度であり、男子戸主すべてに選挙権が与えられ、選出された小区議員が、その互選で大区議員が、そしてさらに互選で県民会の議員が選出されるものだった。同年10月に植木学校は閉鎖されるが、同校に拠った民権運動家たちは結社を設け、運動を継続した。
林桜園に始まった勤皇党の一派に「神風連」（敬神党）があった。彼らは宮崎八郎のように民権運動への転換からも取り残され、不満を和らげるために県内の神社で神主職を任命されるなどしていたが、政府の有司専制や欧化政策を常々苦々しく思っていた。そこに1876年廃刀令が布告され、鬱憤が爆発し反乱を起こした。10月24日、神の信託（宇気比）を授かったとして総帥・太田黒伴雄、副師・加屋霽堅の下約170名が終結して決起し、熊本城敷地内の熊本鎮台を攻め火を放った。彼らは鎮圧され多くが自刃または処罰されたが、この神風連の乱は江藤新平らが起こした佐賀の乱ともども士族反乱を誘発し、また明治六年政変以後薩摩に下っていた西郷隆盛の動向に注目を集める結果ともなった。
1877年（明治10年）2月15日、西郷隆盛起つ。熊本の不平士族はこの報に触れて沸き立ち、西郷軍に馳せ参じる者が多発した。池辺吉十郎は時習館出身者を元とする「学校党」の士族を中心に熊本隊を結成、また植木学校系の民権派も協同隊として加わった。その数は合わせて7000名ともされる。政府そして熊本鎮台は既に西郷反逆を迎え撃つ準備を進めていた。参謀長・谷干城は神風連の乱で受けた被害が未だ回復していない状況、熊本士族が呼応して決起する可能性を鑑み、政府軍の主力が到着するまで熊本城に篭城する策を採用した。武器弾薬・食料などの準備、橋の撤去や棚の設置、道路の封鎖や地雷の設置、藤崎宮など市内要所への守兵配備を急遽進め、福岡や小倉の分営を熊本に終結させるべく手を打った。19日には射界を確保するため、市街地を焼き払った。ところが同日午前11時10分頃、熊本城内で火災が発生し、天守閣などが焼失してしまった。この原因については、不要建築物を取り払う鎮台による自焼説、市街地焼き払いの火が廻った延焼説、薩軍スパイの放火説、逃亡した給仕人の放火説などがあり定かではない。しかし、いずれにしろ藩の歴史を象徴する熊本城天守閣の焼失には、多くの人々が嘆いた。鎮台も備蓄食料を失ったため再収集に忙殺される問題もあったが、篭城の準備は一応整った。この火災が起こる直前の午前8時15分には征討令が届き鎮台は正式に「官軍」となった。この令は県庁に掲示され、民衆にもこの戦いの大義名分を知らしめた。
川尻（河尻）に集結した薩軍は斥候の存在から官軍の方針を知り、作戦の検討が行われた結果熊本城強襲策が採用された。2月21日先行した薩軍の一部が熊本城東側で守備兵と戦闘となり、攻防戦の幕は切って落とされた。翌22日、薩軍は熊本城を包囲し、正面（東側）と背面（西側）の両方から攻撃を仕掛けた。熊本城の弱点とされる背面は特に激戦の地となり、段山（現：段山本町）と法華坂（現：熊本YMCAから国立病院機構北側を通る坂）を襲撃する薩軍一・二・六・七番大隊と官軍の間で激しい戦闘が行われた。正面でも桐野利秋率いる四番大隊を始めとする部隊との銃撃・砲撃戦となった。薩軍は本丸へ続くわずか300m程度の法華坂を攻略できず、正面からの攻撃でも石垣に阻まれた。22日には南下する政府軍と薩摩小隊との交戦情報がもたらされ、夜の会議で方針を転換し、一部強硬手段を残しつつも長囲策を採った。熊本隊や日向からの部隊も加わった攻め手側と鎮台側の攻防戦は3月に入っても続き、熊本城背面は特に激戦を極めた。片山邸（現：藤崎台県営野球場）や旧藤崎神社には砲弾が飛び交い、段山は薩軍に占拠されたが3月13日に官軍がこれを奪取した。また薩軍は城内に離反を促す矢文を放ったり、坪井川と井芹川の合流点を堰き止めて城の周囲に水を張る作戦を取り、篭城側をじわじわと攻めた。しかしその頃、黒田清隆の建策が採用され、政府は勅使護衛兵を中心とした別働第二旅団を長崎から差し向けていた。3月19日、日奈久に上陸した部隊は八代を抑えた。薩軍は永山弥一郎を指揮官とする部隊を送ったが、官軍は31日には松橋を落とした。4月に入り、熊本城では兵糧の減少を危惧した谷が植木方向への出撃を思案した。しかしこれは参謀の樺山資紀らの反対を受けて取り消され、南から接近していた政府側衝背軍との連絡を試みることとなった。4月8日、突囲隊が薩摩の包囲網を突破し、宇土で政府軍と合流することに成功した。政府軍は12日に御船・甲佐を一斉攻撃し、14日には川尻まで進軍した。さらに陸軍中佐の山川浩は独断で部隊を進め、ついに篭城軍との連結に成功した。こうして、2ヶ月にわたる熊本城攻防戦は死者773名を出して決着し、加藤清正が心血を注いで築いた熊本城は初の戦でその堅牢さを証明した。
一方、2月22日に植木で乃木希典率いる政府軍と接触した薩軍小隊はこれを急襲。官軍を敗走させ連隊旗を奪いもした。翌日も両軍は交戦し、一時退却を試みた官軍を追い薩軍は攻撃をかけた。福岡から南下中の第一・二旅団は一個中隊を急がせ25日には高瀬を抑えた。同日午後高瀬川を挟んだ戦闘となったが、この際には官軍は持ちこたえて薩軍は退却した。26日反撃を開始した官軍は歩兵第14連隊が田原坂まで敵を押し返した。だが兵糧不足を理由に退却の命が届き、しぶりつつも連隊は引き返した。この時官軍が退却せず田原坂を抑えていれば、後の凄惨な戦いは防げたのではと指摘されている。2月22日深夜、政府軍の動向を知った西郷隆盛ら薩軍首脳は長囲策に転じ、軍を分けて北へ兵力を差し向ける決定を下した。北から熊本へ向かう路は3つあり、山鹿から南下するルートには四番大隊、高瀬から田原坂を越え植木に至るルートには一番大隊、吉次越ルートには二番大隊と六・七連合大隊が当たることとなり、25日に出発した。一方薩軍の動きを察知していた政府軍だが、慎重な山縣有朋はすぐに攻撃を指示せず、態勢整備を優先した。第14連隊と近衛歩兵第1連隊の一部を田原坂方面に、残りの近衛歩兵と東京・大阪鎮台兵を吉次峠方面へそれぞれ配置し、3月3日に進軍を開始した。3月4日、田原坂に総攻撃を仕掛けた政府軍は、天然の要害に拠った薩軍の一斉射撃を浴びて思うように進めない。吉次峠はさらに凄惨で、畑には死体が積みあがり、側溝には血が溜り、夥しい銃弾のせいで木々は蜂の巣のようになった。薩軍も篠原国幹が戦死するも意気は衰えず、敗走する官軍は吉次峠を「地獄峠」と呼んだ。翌日から一部隊を吉次峠に残し、政府軍は田原坂に集中、一進一退の攻防が続くことになる。警視抜刀隊の活躍によって少しずつ戦局を有利に進めた政府軍は、雨の3月20日に総攻撃を仕掛けた。砲撃と雨に強い後装式スナイドル銃(en)が威力を発する官軍に対し、薩軍が主に用いたエンピール銃は雨に弱く、さらに弾丸に事欠いて付近住民が拾い集めた弾を買い集めたりする状況の中、田原坂を突破され後退を余儀なくされた。記者として従軍した犬養毅は激しい銃撃戦のために木々や電柱が砕け散った模様を伝えた。田原坂に入った山縣有朋は、その攻めがたい急峻さと狭窄さを実感し、将兵の死に涙を流したという。3月21日には山鹿の四番大隊も敗れ、後退した薩軍は植木・木留で官軍を迎え撃った。一進一退の攻防が続いたが、やがて政府軍が優勢となり、薩軍は辺田野・荻迫（現：JR植木駅周辺）まで退く。この頃には、政府軍がドイツから購入していた風船爆弾投入に乗り出したとの説もある。しかし戦局は膠着に陥り、官軍内では迂回して進軍する案も出された。しかし4月15日午後1時、熊本城と衝背軍の連絡を知った薩軍は撤退を始めた。
薩軍は熊本平野東部の木山に拠点を移し、兵を配置して官軍と対峙した。ここでも両軍は拮抗するが、官軍が御船と大津を押さえたことを皮切りに優勢に立ち、4月21日に薩軍は人吉への退却を始めた。28日に薩軍は再集結し、西郷は永国寺に入って本営を置いた。ここで態勢を組み直す計画が練られ、食糧確保や弾薬製造のために住民の徴用や課税まで予定され、2年間は割拠する目論見が立てられ、同時に兵力を分散させる作戦も取られた。しかし政府軍は東の江代方向、北の五木村、西の球磨川下流という3方向から攻め、5月30日に人吉への総攻撃を開始した。6月1日未明、市街に入った官軍が放つロケットに夜の町は燃え上がり、薩軍が人吉城址から撃つ大砲の弾が降る中、両者の白兵戦が繰り広げられた。薩軍は球磨川の南に退却し、橋を落として政府軍を防ぎ、砲撃・銃撃が両岸から浴びせ合う状態が続いた。午後になり薩軍は退却を始めた。以後、西郷と薩軍は政府軍の追走を受けながら宮崎・延岡などを転戦しつつ、9月24日鹿児島の城山で壊滅した。この戦争で被害を受けた一般人の死傷者数は300を越え、一万戸以上の家屋が被災し、記録は無いが耕地などもひどく荒らされた。罹災した一般人には弔祭料や手当金が支払われ、家屋被災についても助成金が支給された。宮崎八郎は戦死し、協同隊として参戦した肥後勤皇党の系統は一旦途絶えた。熊本隊として加わった学校党も鳴りをひそめ、熊本は中央政府主導の県政が敷かれることとなった。
本項では明治初期の県名を一律に「熊本県」と表記しているが、1871年（明治4年）7月14日に始まった廃藩置県では、旧来の藩に対応する3つの地域が置かれ、その前後に名称変更や合併などを繰り返していた。大政奉還が行われた1868年（明治元年）、九州の各天領は新政府直轄地となり、天草地方も1871年閏4月25日に富岡県となった。この県名は6月10日には天草県へ変えられ、8月29日には長崎県の一部に編入された。1871年の廃藩置県実施当初、熊本藩は熊本県（第1次）、相良藩は人吉県とされたが、肥後南部を統括する県庁が八代に置かれる決定に伴い11月14日には人吉県は八代県に改名され、これに天草地方が編入、米良地方が宮崎県に移された。同様に熊本県も設置される県庁の所在地（現在の熊本市二本木）から1872年（明治5年）6月14日に白川県と名称が変わった。1873年（明治6年）1月15日に両県は合併して白川県に一本化され、県庁の熊本城への移転を経て、1876年（明治9年）2月22日に現在に至る熊本県（第2次）へと改名された。
明治4年（1871年）制定された戸籍法に基づき翌年壬申戸籍が編製されたが、これに伴い戸長・区長が置かれた。熊本県の場合、彼らはすべて官選で任命されたため、民衆との信頼関係は弱かった。1873年実学党政権崩壊と地租改正以降民費は増大の一歩を辿り、不満を抱えた農民は阿蘇地方などで打ちこわしなど地租改正反対一揆をたびたび起こした。これには民権運動が関わり、区戸長公選化を求める声が強まった。1878年（明治11年）愛国社が再建されると、熊本でも西南戦争での懲役刑を終えた者たちを吸収しつつ民権運動家が連帯して「相愛社」が設立された。これは翌年には国会期成同盟の一員に改組されてゆくが、基本的に創設時の「相愛社趣意書」に基づく行動を取った。相愛社でも私議憲法作成が行われたがなかなか議論が収束せず、発表に至ったのは1881年（明治14年）だった。一方、同じく西南戦争熊本隊に加わり捕縛された佐々友房が帰郷すると、1879年（明治12年）同心学舎（現：熊本県立済々黌高等学校）を設立した。ここには旧学校党など保守勢力が集まっていった。佐々は井上毅らの助言を受けて紫溟会を設立し、民権運動取り込みを画策する。しかし度重なる論争の末、1881年設立時の民権派参加は実学党のみに止まり、これも2ヶ月後には脱退した。明治十四年の政変後板垣退助らが自由党を設立すると、熊本でも民権系結社の組織化が進み、1882年（明治15年）九州改進党が結成される。これは一度解党されるが、九州連合同志会などを経て1890年（明治23年）に結成された立憲自由党に引き継がれてゆく。そしてこれは、1888年（明治21年）に改組されて熊本国権党となった保守勢力の紫溟会と県政を二分する勢力になっていった。この対立の模様は「肥後の議論倒れ」とも呼ばれる熊本人の気質を助長するひとつにもなった。
1886年（明治19年）発布された中学校令に基づき、福岡や長崎との誘致合戦の末熊本に第五高等中学校（現：熊本大学）の設置が決定した。翌年、旧熊本洋学校や古城医学校の校舎を用いて開校し、1890年（明治23年）には黒髪村の新キャンパスに移転した。1894年（明治27年）からは高等学校令により第五高等学校となった同校では、ラフカディオ・ハーン（小泉八雲）や夏目漱石が教鞭をとったことでも知られる。
1884年（明治17年）、宇土半島先端の三角町では、国主導の国際貿易港整備が始まり、3年後に三角港として開港した。これに関連し付帯工事として鉄道建設も計画され、1886年（明治19年）には門司 - 三角間の敷設が許可された。これには、松方デフレ終息と企業活動の活発化を背景とした鉄道待望論の盛り上がりがあった。1891年（明治24年）7月1日、長洲駅・高瀬駅（後の玉名駅）・植木駅・池田駅（後の上熊本駅）を経由して熊本駅まで繋がる鉄道が開設した。池田駅と熊本駅は市街よりもかなり西側に設置されたが、これは純粋に用地買収問題に拠るもので、鉄道忌避論の影響はなかったとされる。鉄道は順次延伸され、1908年（明治41年）には人吉駅まで敷設された。これは、人吉藩家老家出身の渋谷礼ら有志による誘致運動が好を奏したもので、後に文部大臣となった長谷場純孝が推した海岸線ルートが採用されなかった背景には、軍部の意見もあった。球磨川沿いの鉄道路線は地域住民の足として、また観光コースとしても賑わった。翌年には鹿児島県までの路線が開通し、スイッチバックや日本初のループ式路線が採用された。
明治政府は当初、キリスト教信仰を解禁しなかった。だが1868年（慶応元年） - 1873年（明治6年）の弾圧をアメリカやイギリスから激しく非難されると、政府はキリスト教布教を認めた。しかしこの認可は地方まで速やかに知らしめられた訳ではなく、天草の人々は長崎「神の島」の漁民からこれを聞いた。1876年（明治9年）大江（天草町）住民15人、翌々年には大江や崎津（河浦町）住民14人が熊本県令にキリスト教帰依を届け出たが、県はこれを受理しなかった。それどころか、葬儀をキリスト教式で行ったとして崎津の住民が処罰されるなど、地方政府ゆえの無理解もあった。しかしやがて天草に宣教師が向かうようになり、キリスト教への理解も進んだ。1892年（明治25年）天草に赴いたフランス人神父ルドヴィコ・ガルニエは、50年に亘り天草での布教活動を続け、大江天主堂建設や孤児院の建設などに尽力した。彼はフランス語調で「パーテルさん」（紀行文『五足の靴』では「バアテルさん」）と呼ばれて親しまれつつ、1941年（昭和16年）その生涯を天草で閉じた。
西南戦争を戦った熊本鎮台は、1888年（明治21年）に第6師団に改組された。熊本市がその衛戍地となり、師団司令部が置かれた熊本城を中心に、周辺には歩兵連隊や騎兵大隊、また砲兵連隊が置かれた。 日清戦争や1902年（明治35年）の天皇を迎えた軍事演習などを経て、熊本市は軍都としての性格を強めた。日露戦争で熊本は捕虜を収容する場のひとつとなり、大江鹿渡の練兵場などに約5000人を受け入れた。この中には後の作家・アレクセイ・ノビコフ＝プリボイや、革命運動家ニコライ・ラッセルらがいた。以後の十五年戦争においても、熊本は重要な軍事拠点であった。
このように戦時体制を支え、自らも成長する熊本市だったが、この二つの兼ね合いに問題が生じた。西南戦争で焼け野原となった市の中心部に置かれた山崎練兵場が交通を分断し、発展を阻害する要因となってしまっていたことが1881年（明治14年）頃からクローズアップされ始めた。世論を考慮した陸軍省は工兵隊や藤崎台兵舎などを鹿渡や大江村へ移転したが、肝心の練兵場は手付かずのままにされたため、移転要求は燻り続けた。1891年（明治24年）2月22日付『熊本新聞』は、この練兵場移設問題が放置されている様を「熊本市内三馬鹿の第一」と痛烈に批判した。1897年（明治30年）に熊本市会は陸軍大臣に移転の要望を提出し、陸軍側も施設拡張が限界に達していた事情もあって、幾度もの交渉の末これを受けた。翌年から練兵場が大江村に移転される諸工事が始まったが、これは熊本市の負担とされてしまった。市街地に広大な用地を得た熊本市は、発展に向けた都市計画を実行に移した。練兵場跡地は縦横の道路が整備され、「練兵町」や当時の市長・辛島格の姓から取られた「辛嶋町」などが置かれた。ここ一帯は「新市街」と呼ばれ、一大繁華街へと発展してゆく。市内の公共交通機関として、1907年（明治40年）には熊本軽便鉄道が開業した。これは大正時代に熊本電気鉄道を経て熊本市電へと変わっていった。また、用地には中央官庁の出先機関設置を誘致し、その先駆けとして1911年（明治44年）には現在のくまもと阪神がある立地に煙草専売局が建設された。膨張する都市を賄う上水道の整備も行われ、1924年（大正13年）には八景水谷や立田山を水源とする上水道網が完成した。この土地整備・市電敷設・上水道整備は近代熊本市の三大事業とされ、都市発展の基盤づくりが完成した。
第二次世界大戦中、熊本県が初めて直接空襲を受けたのは1944年（昭和19年）11月21日、熊本市に飛来した80機のB29によるものだった。翌年7月1日深夜には154機のB29が飛来・爆撃を行い、熊本市街地の三分の一が焼け野原になる熊本大空襲があった。住居一万戸が罹災、実態は不明だが300人以上が死亡した。戦後、森林の乱伐と河川整備の遅れによる水害が毎年のように日本各地を襲ったが、熊本県も例外ではなかった。1949年（昭和24年）のジュディス台風およびデラ台風、翌1950年（昭和25年）にはキジア台風で球磨川が氾濫し人吉市や八代市が被害を受けた。さらに1953年（昭和28年）6月の昭和28年西日本水害では筑後川を始めとして北部九州のすべての河川が過去最悪の洪水を引き起こしたが、熊本県では菊池川や白川といった県内北部の河川による洪水被害が甚大であった。熊本市の白川では阿蘇の爆発のヨナが混じり、泥土が混入、復旧に時間を要した。なお、熊本ではこの水害を通称6.26水害と称している。河川を管理する建設省（現在の国土交通省）はこうした水害を防ぐためにダムによる治水を計画、球磨川に市房ダムを1959年（昭和34年）完成させたのを皮切りに緑川に緑川ダムを、菊池川には支流の迫間川に竜門ダムを建設した。現在は白川に立野ダムを建設している。また河川法が1964年（昭和39年）に改正され、県内の河川のうち菊池川、白川、緑川、球磨川の四河川は国が管理する一級河川に指定された。
こうした治水事業、特にダム事業は父祖伝来の土地が永久に湖底に沈むことで地元の反発は大きいものがあったが、熊本県では特にこうした反発が強かった。その一つは1959年より筑後川上流に建設が計画された松原ダムと下筌（しもうけ）ダムに対する地元阿蘇郡小国町住民によるダム反対闘争・蜂の巣城紛争である。事業者である建設省の強権的な態度に反発した小国町の住民・室原知幸は下筌ダム建設予定地に砦を築き、水没予定地の住民と共に建設省に対して猛然と抵抗した。この紛争は1960年（昭和35年）には「代執行水中乱闘事件」にまで発展する流血の事態となったが、1970年（昭和45年）の室原の死によって幕を閉じた。しかしこの事件はその後の国による河川行政のあり方を大きく転換させ、1973年（昭和48年）には水源地域対策特別措置法が制定されて水没住民の生活再建などが法律によって義務化され、「住民の許可がない限り、ダム事業は着手できない」という不文律を形成した。そして現在、熊本県最大の公共事業として全国的に問題になっているのが、球磨郡相良村と五木村に建設が計画されている川辺川ダムである。1966年（昭和41年）に計画が発表されたこのダム計画は、完成すれば熊本県最大のダムとなる。だが五木村・相良村の反対運動、さらに1990年代以降の公共事業見直しの風潮によって計画発表から40年以上経過した現在も工事には着手していない。2001年（平成13年）には当時の潮谷義子熊本県知事によって「川辺川ダム住民討論集会」が開催され、ダム建設の是非を巡って活発な議論が交わされた。この間事業費の増大に耐えかねた川辺川・球磨川流域の農家が「川辺川利水訴訟」を起こし、事業計画の取り下げを訴えこれが2003年（平成15年）に福岡高等裁判所で認められると、2007年（平成19年）には川辺川ダムにかんがい事業者として参加を予定していた農林水産省がダム事業から撤退を表明。同時に水力発電事業に参加を予定していた電源開発も事業からの撤退を表明。川辺川ダムの事業意義が問われるようになった。流域自治体の五木村や八代市、球磨村などはダム事業の早期推進を訴えているが、人吉市と相良村、そして熊本県は反対・計画の白紙撤回の姿勢を示しており、今後ダム計画が存続するかどうかは事業者である国土交通省の対応にかかっているといわれている。なお、潮谷熊本県知事在任中に球磨川に建設していた県営の水力発電用ダム・荒瀬ダムの撤去が決定されていた。施設の老朽化による維持費捻出困難がその理由であり、2010年（平成22年）に水利権が失効すると同時にダムは撤去される予定であった。こうしたダム撤去は日本初のケースとして注目されていたが、2008年（平成20年）6月4日、潮谷知事の後を継いだ蒲島郁夫知事が「撤去に伴う費用が増大し、費用対効果に疑問がある」として撤去を凍結する方針を発表した。しかしこの決断に対し、長年ダム放流による振動や冠水、井戸枯れの被害に遭っていた流域住民から怒りの声が上がり国交相は水利権更新を認めず、知事は凍結方針を撤回する。2012年からダム撤去工事が始まっている。