Вскоре после Октябрьской революции, 12 марта 1918 года Москве был возвращен статус столицы России, до сего момента принадлежавший Петрограду. Постановление IV Чрезвычайного Всероссийского съезда Советов гласило: «В условиях того кризиса, который переживает русская революция в данный момент, положение Петрограда как столицы резко изменилось. Ввиду этого съезд постановляет, что впредь, до изменения указанных условий, столица Российской Советской Социалистической Республики временно переносится из Петрограда в Москву».

Москва застраивалась быстрыми темпами, к городу присоединялись бывшие пригороды. В то же время историческая застройка центра города подверглась выборочному уничтожению. Был разрушен ряд храмов и монастырей, в числе которых были Храм Христа Спасителя, Страстной монастырь. В 1922 году Москва стала столицей СССР.

В городе началось быстрое развитие транспортной инфраструктуры. В 1924 году в Москве открылось автобусное движение, в 1933 году был запущен первый троллейбусный маршрут, а в 1935 году для пассажиров открылась первая линия метрополитена. После введения в эксплуатацию Канала имени Москвы и поднятия уровня воды в Москве-реке, часть городской территории возле Москвы-реки оказалось затопленной.

Постановлением Президиума ВЦИК «Об образовании на территории РСФСР административно-территориальных объединений краевого и областного значения» от 14 января 1929 года с 1 октября 1929 года была образована Центрально-промышленная область с центром в городе Москве. В 1931 году два крупных города РСФСР - Москва и Ленинград - были выделены в отдельные административные единицы - города республиканского подчинения РСФСР.

В годы индустриализации в Москве быстрыми темпами развивается сеть высших и средних технических учебных заведений. В тридцатые годы в Москве была создана целая сеть научно-исследовательских и проектных институтов технического профиля. Подавляющее большинство из них входило в систему Академии наук СССР.

В это время в городе также развиваются средства массовой информации, издается много газет, с 1939 года организовано регулярное телевизионное вещание. Во время Великой Отечественной войны в городе располагались ГКО и генеральный штаб Красной Армии.

Зимой 1941-1942 годов произошла знаменитая битва под Москвой, в которой советские войска одержали первую крупную победу над вермахтом с момента начала Второй мировой войны. В октябре 1941 года немецкие войска подступили вплотную к Москве. Многие промышленные предприятия были эвакуированы.

В декабре 1941 года наступление немецкой группы армий «Центр» под Москвой было остановлено, в результате успешного контрнаступления советских войск под Москвой немецкие войска были отброшены от столицы. Парад Победы на Красной площади состоялся 24 июня 1945 года. В 1952-1957 годах было проведено строительство высотных зданий, впоследствии получивших название «Сталинских высоток».

В 1960 году сформировалась новая граница Москвы по МКАД, за которую город стал выходить только в 1984 году. В конце 1960-х - начале 1970-х годов центр города вновь подвергся серьезной перестройке. Ради расширения существующих улиц, строительства новых магистралей и типовых многоэтажных панельных домов были снесены некоторые архитектурные памятники Москвы.

В 1957 и 1985 годах в Москве прошли соответственно VI и XII по счету Всемирные фестивали молодежи и студентов. В 1980 году Москва принимала XXII летние Олимпийские игры. Кстати, во времена правления Никиты Хрущева по его идее рассматривалась возможность переноса столицы СССР или РСФСР в Свердловск.