L'ascesa dei Savoia trasformò radicalmente Torino facendola diventare da piccola città uno dei maggiori centri dell'Italia occidentale. Oltre a creare a Torino un polo amministrativo ed economico dal quale governare tutti i possedimenti nella penisola italica, i Savoia nel 1404 fondarono l’Università torinese.

Uno dei problemi più annosi del ducato sabaudo dell'epoca era che i sudditi non parlassero tutti la medesima lingua, ma francese od italiano a seconda del versante delle alpi d'appartenenza. La guerra per l'egemonia interna si sviluppava tra Chambery, capitale ufficiale, e Torino che mano a mano acquisiva importanza assumendo le funzioni esercitate dapprima a Chambery.

Fu sotto il regno di Carlo II che Torino vide formarsi all'interno delle proprie mura un apparato giudiziario ed amministrativo molto più importante di quello presente a Chambery. Siccome inoltre Torino superava Chambery anche per numero di abitanti, il figlio di Carlo II, Emanuele Filiberto, nel 1563 decise di spostare la capitale a Torino sfruttando il trattato di Chateau-Cambresis che gli riconferiva formalmente il dominio dei suoi possedimenti.

Torino, al di qua delle Alpi, era meno esposta di Chambery agli attacchi francesi, e rispondeva meglio all'intenzione di Emanuele Filiberto di spostare verso l'Italia gli interessi della dinastia.

Torino assunta ufficialmente al ruolo di capitale, nel giro di pochi anni fu radicalmente trasformata, per meglio rispondere alle esigenze dei Savoia. Emanuele Filiberto era un principe guerriero ed era stato vincitore della battaglia di S. Quintino in nome degli alleati spagnoli. Preoccupato quindi di possibili invasioni francesi dotò immediatamente la capitale di una modernissima cittadella, realizzata in soli due anni, dal 1564 al 1566 su progetto di Francesco Paciotto.

Dal punto di vista urbanistico alla fine del '500 Torino appariva chiusa nel suo antico tracciato romano e protetta dalla formidabile Cittadella, una delle più ammirate dell'Europa del tempo. Emanuele Filiberto impose inoltre il trasferimento della sede del potere ducale dall'attuale Palazzo Madama, che aveva sempre rappresentato la sede dei duchi o di chi per loro esercitava il potere, al palazzo vescovile che col tempo divenne il Palazzo Reale.

Il successore di Emanuele Filiberto fu suo figlio Carlo Emanuele e sono da tributare a lui le trasformazioni urbanistiche che videro coinvolta la città dal 1601 al 1613. In quegli anni, infatti, avvenne il primo ampliamento verso sud con la costruzione dell'attuale via Roma, venne abbellito il Palazzo Reale e si costruì la Galleria.

L'architetto che sovrintese a tutti i lavori fu Carlo di Castellamonte, architetto di corte e autore delle splendide facciate di piazza S. Carlo. A questi anni sono da far risalire anche il Parco Regio, odierno quartiere Regio Parco, e Mirafiori.

Nel 1630 Torino fu devastata dalla peste che decimò gli abitanti e frenò i mutamenti urbanistici della città. I regni dei successori di Carlo Emanuele furono deboli, funestati dalle morti precoci dei duchi e caratterizzati dalle reggenze delle Madame Reali, Cristina di Francia prima e Giovanna Battista di Savoia-Nemours poi.

La ricerca dell'alleanza con la Francia da parte di Cristina per garantirsi la legittimità della Reggenza, contestata dai potenti cognati Maurizio e Tommaso di Savoia, alleati a loro volta con la Spagna, fu causa di una velata occupazione militare francese della città e le interferenze di Francia e Spagna nella vita politica del ducato.

L'ascesa al trono di Carlo Emanuele II nel 1663 e la successiva reggenza di sua moglie Giovanna Battista di Savoia-Nemours, rasserenò il clima cittadino ed in questi anni si stabilì il secondo ampliamento cittadino. Realizzato verso il Po vide l'edificarsi dell'odierna Via Po, unica via inclinata della planimetria del castro romano che continuava a caratterizzare l'aspetto urbanistico torinese.

Nel 1659, inoltre, iniziarono i lavori della Venaria Reale, seguiti dal 1666 in avanti dalle opere firmate Guarino Guarini: la Cappella della Sindone, il Collegio dei Nobili (attuale sede del Museo Egizio), il Palazzo dei Savoia-Carignano (sede del primo Parlamento italiano) e la chiesa e cupola di S. Lorenzo.

Nel 1684 Vittorio Amedeo II salì al trono. I primi anni del suo regno furono caratterizzati da crisi economica ed incertezza politica, dovuta principalmente al conflitto latente tra Francia e Spagna. Tra il 1701 e il 1714 la guerra di successione spagnola provò notevolmente la capitale del ducato sabaudo, che si trovò a lungo assediata dai Francesi. Risale a quell'assedio la promessa del duca di costruire di una basilica sul colle di Superga se la Santa Vergine avesse liberato la città. L'assedio durò dal 1705 al 1706 e fu tolto grazie all'intervento simultaneo di Vittorio Amedeo e del cugino Eugenio di Savoia-Soissons, uno dei più brillanti generali del Settecento. Alle ultime fasi dell'assedio appartiene anche l'eroico gesto di Pietro Micca, che perse consapevolmente la vita pur di tagliare le strade sotterranee di Torino ai Francesi.