この戦争では航空機の性能が著しく向上し、空中戦を制するため制空権が重要となり、そのためレーダーの性能とその保持は交戦国にとって重要であった。レーダーは1940年のバトル・オブ・ブリテンで重要な役割を果たし、そのため攻撃目標でもあった。技術革新により小型化され、地上配備から、艦艇、後には夜間戦闘機や哨戒機等、航空機に搭載されるまでになった。ドイツやアメリカ、日本等が開発した核兵器（原子爆弾）は、ドイツやイタリアからの亡命者の技術を持ってしてもアメリカが末期まで完成しなかったが、その威力と影響は大きく、その存在は冷戦時代を通じて現在も依然として非常に大きい。大戦中期からドイツのエニグマなどの暗号解読のためイギリスのアラン・チューリングが中心になり研究・開発し、また弾道計算のためにドイツがコンピュータが研究・開発された。ドイツ空軍は、巡航ミサイルの始祖ともいえるV-1有翼無人飛行爆弾を開発・生産し、実戦投入した。しかし、当時の制御技術では精密誘導は不可能であった。ドイツ陸軍は弾道ミサイルの始祖ともいえるV-2ロケットを実用化し、実戦投入した。これも当時の技術では、現在のミサイルほどの正確な誘導は不可能だったが、発射されたら迎撃不可能で、連合国側に実際の戦果より強い心理的影響を与えた。戦勝国にとって格好の技術略奪目標となり、競ってロケット技術に関する人物・物資を運び去った（アメリカの技術的略奪行為についてはペーパークリップ作戦を参照）。
第一次世界大戦は工業力と人口が国力を、第二次世界大戦はこれに科学技術の差が明確に加わることとなった。戦争遂行のために資金、科学力が亡命者を含み投入され、多くのものが長足の進歩を遂げた。電子兵器（レーダー、近接信管）やミサイル、ジェット機、四輪駆動車、核兵器などの技術が新たに登場した。電子兵器と四輪駆動車を除く3つは大戦の後期に登場したこともあって戦局に大きな影響を与えることはなかったが、レーダーは大戦初期のバトル・オブ・ブリテンあたりから本格的に登場し、その優劣が戦局を大きく左右した。
1970年（昭和45年）になって東北新幹線の建設が具体性を帯びると、新幹線の停車駅として仙台駅、長町駅、貨物駅である宮城野駅の3案が浮上し、「新幹線現仙台駅建設促進期成同盟会」、「新幹線東部地区設置期成同盟会」、「新仙台駅誘致仙南期成会」が結成されそれぞれが誘致運動を行った。これについて国鉄は現行の仙台駅への新幹線乗り入れを希望し、また、地元の代表者などで構成されるデベロッパー委員会も仙台駅への新幹線停車が望ましいとする意見を表明した。こうして既存の仙台駅に新幹線駅が併設されることになった。東北新幹線の起工式は1971年（昭和46年）に行われ、これに伴って仙台駅新駅舎の建設計画が進んだ。宮城県、仙台市、国鉄、仙台陸運局、東北地方建設局、仙台商工会議所の6者が基本方針を策定し、宮城県知事山本壮一郎がこれを1972年（昭和47年）に発表した。これには、仙石線の地下化及び仙台駅西口への延伸、駅周辺のペデストリアンデッキの整備、東口の整備などが盛り込まれていた。この年に西口駅前広場に仮駅舎が設置され、翌年に仮駅舎の後方の旧駅舎が取り壊された。新幹線工事のために、1973年（昭和48年）2月1日始発駅発の列車から、深夜に仙台駅を通過する旅客列車は宮城野貨物線経由となり、1978年（昭和53年）10月2日から仙台駅経由に戻った。この間、長町駅に代わりに停車して長町 - 仙台間で代行バスの運転が行われ、また多客期や荷物列車については仙台駅経由が続けられていた。駅前ショウハウスの店子は仮駅舎設置時に強制執行で立ち退かされた。この間、仙台市電は1976年（昭和51年）4月1日に廃止となり、仙台駅前停留所も撤去された。新駅舎は1977年（昭和52年）に竣工し、新幹線関連部分を除いて、まず在来線の駅として供用を開始した。1978年（昭和53年）には駅併設の商業施設エスパルが開店し、また駅の東西を横断する東西自由通路が開通した。この時の東西自由通路の規模は幅6メートル、延長90メートルだった。さらに、1981年（昭和56年）から1982年（昭和57年）にかけては東口にバスターミナルが整備された。東北新幹線は1982年（昭和57年）に大宮駅と盛岡駅の間で暫定開業し、この時に新駅舎は全面的に供用を開始した。駅の利用客は1986年（昭和61年）に新幹線と在来線を合わせ1日平均17万5000人となった。1987年（昭和62年）7月15日、愛宕上杉通下に地下鉄南北線が開業した。1990年代に入るとJR東日本仙台駅構内の東側の留置線が整理され、家電量販店やアミューズメント関連施設の用地となった。2000年（平成12年）3月11日には、仙台トンネル完成に伴い仙石線が地下ホームに移設された。2004年（平成16年）、仙台空港鉄道（仙台空港アクセス線）の開業に先んじ、ホームの改良工事が実施された。1番線と2番線（当時）の間にあった中線を活用するため、2番線（当時）の北側部分（盛岡方面）が埋められて、切欠きホームとなった。中線に接するホームが新2番線となり、旧2番線が3番線に、以降在来線のホーム番号が1つずつ大きい数字に繰り下げられている。2007年（平成19年）3月18日、仙台空港鉄道が開業し、仙台駅への乗り入れを開始した。2008年（平成20年）に入ると、地下鉄東西線開業に向けた工事が本格化していった。