ダルムシュタット占領後、ルートヴィヒ・メッツガー (SPD) が上級市長となった。1946年に新しく樹立したヘッセン州の州都はダルムシュタットではなく、ヴィースバーデンが選ばれた。市の復興では、城館、市庁舎、国立博物館といった偉大な歴史的建造物が再建された。しかし旧市街には新しい道路網が整備された。最初のきわめて細かい街区に分割する案は退けられたが、住民からの同意を得ることなく新しい街区の切り分けがなされた。旧市街の北西部には大学のキャンパスが増築された。この時期に造られた新しい建築物は装飾を排した実用本位の形態であった。都市建設の骨子となるプランは1947年から都市建設行政のリーダーを務めることになったペーター・グルントのアイデアによるものであるが、そのシステムは「組織体としての幹線道路網」を基本とするものであった。再生可能な旧国立劇場の廃墟は劇場としては廃止となり、1972年にヴィルヘルミーネ広場に新しい劇場が建設された。ルイーゼン広場のほとんど破壊され尽くした旧宮殿も再建されなかった。激しい議論の結果、ここには1977年にショッピングセンター「ルイーゼンセンター」が建設された。ダルムシュタットには多くの国内・国際研究機関があり、これにより1997年8月に「学術都市」の呼称をヘッセン州内務省から与えられた。その後、ダームスタチウムとして周期表に現れた。
1933年の選挙後すぐに国家社会主義者の政敵に対する恣意的な逮捕・拘禁がなされた。大量の家宅捜査や、「共和主義者」「ユダヤ人」および「非アーリア人」公務員の罷免は狙い定めた統制活動の一部であった。通りや広場は新たにイデオロギーに沿った名称に改名された。たとえば、フリードリヒ・エーバート広場はホルスト・ヴェッセル公園に、ルイーゼン広場はアドルフ・ヒトラー広場になった。3月13日、ヘッセン民主国の議会は、NSDAPと中央党の投票によりNSDAP党員のフェルディナント・ヴェルナーを、ベルンハルト・アーデルンクの後任のヘッセン首相に指名した。SPDの代議士は、国家社会主義者による激しい脅迫を受け、この時の議会には参加していなかった。1937年にエーバーシュタットとアルハイルゲンがダルムシュタットに合併し、この街は大都市となった。1938年11月9日から10日の水晶の夜にはブライヒ通り、フリードリヒ通り、エバーシュタットのシナゴーグに火が付けられた。夜明けには（これは、もしかしたら放火とは違って組織的ではなかったかもしれないのだが）、SAとSSの兵士が通りを陶酔しながら駆け抜け、数知れないユダヤ人の商店を破壊していった。多くの死者も出た。あるユダヤ人の少女はSA隊員が近づいてくるのを見てパニックに陥って窓から転落し、それを目の当たりにした父親はショックで首を吊った。1940年6月8日、ダルムシュタットは初めて、合計36発の爆撃を受けた。1943年の夏以降、しばしば爆撃を受けるようになった。1944年9月11日から12日の夜は「大火の夜」と呼ばれる。イギリス空軍による空爆とそれに伴う火災風によってダルムシュタットは一夜にして廃墟と化したのである。この攻撃は、人口密度の高い中心部に対してなされ、11,500人が亡くなり、約66,000人が住む家をなくした。非現実的な廃墟と化した都市で何ヶ月もの間、為す術もなく命が失われ続けた。1945年3月25日にアメリカ軍がこの都市を占領し、やっと国家社会主義と戦争が終息したのである。終戦までにダルムシュタット旧市街および中心街の99%が破壊され、建物の78%が爆撃の犠牲となった。ダルムシュタットに対する空爆は、人口当たりに換算すると、全ドイツの都市の中でプフォルツハイムに次いで2番目に多くの第二次世界大戦の空爆犠牲者を出したことになる。終戦時、ただの瓦礫の山となった都市は合計12,300人の犠牲者を悼んだ。
建設の契機は京都大学名誉教授の奥田東が中心となった「関西学術研究都市調査懇談会」（通称・奥田懇談会）の提言によるものが大きかった。奥田は提案の理由を「ローマクラブの研究報告『成長の限界―ローマ・クラブ人類の危機レポート』を読み、その内容に深い衝撃を受けたため」と語った。奥田懇談会に参加していた、国立民族学博物館館長（当時）の梅棹忠夫は、「学術研究都市」構想が理工学系の研究だけを重視する方向に偏ることを危惧し、文化開発の重要性を指摘した（「新京都国民文化都市構想」）。梅棹のこの提案をきっかけとして、「学術研究都市」に「文化」の語が加わり、「文化学術研究都市」と呼ばれるようになった。国土交通省は学研都市の建設の理念を「産・官・学の連携の強化と、文化・学術・研究の国際的・学際的・業際的な交流の推進」としている。学研都市には基礎研究などの中心となる地域として、文化学術研究地区（文化学術研究ゾーン）が設定されており、開発が進められている。文化学術研究地区以外の地域は周辺地区と呼ばれる。学研都市は、1994年に「都市びらき」が行われた。学研都市はバブル景気時代に建設がはじまったにもかかわらず、バブル崩壊後も計画が中止にならずに建設が進められてきた。しかし、2003年には木津地区での宅地開発計画が中止された。学研都市で開発計画が中止に追い込まれたのは、これが初めてであった。ほかにも、大手企業が研究所を閉鎖し撤退した地区や、施設の誘致が進まず空き地が目立つ地区、研究地区から住宅地区への変更・用途地域の変更を検討している地区もある。さらに、2002年には住友金属工業が、2004年にはバイエル薬品とキヤノンが学研都市から撤退した。計画が変更されている背景には不景気・需要の低迷などがあった。さらに、企業が基礎研究から研究開発に重点を移しているなど、企業の研究に対する姿勢の変化が原因とも言われている。しかし、学研都市での研究が成果を上げていることも事実であり、今のところ、計画の大幅な変更は発表されていない。2013年頃から景気回復と災害リスクの低さが評価されて再び企業進出が進んでいる他、研究施設ではないが三菱UFJ銀行や日本郵政が事務センターの設置を決めている。当初は職住一体の街を計画していたが、実際には大阪市や京都市の都心に働きに出る人が多く、両市に対するベッドタウンの傾向が強くなっている。2015年4月現在、総人口は24万6807人（計画人口は41万人）、文化学術研究地区の人口は9万1223人（計画人口は21万人）である。