Thăng Long sau đó được đổi thành tổng trấn Bắc Thành với 11 trấn trực thuộc. Nhà Nguyễn bấy giờ đặt quan tổng trấn Bắc Thành và trao quyền hành rất lớn, lại đặt ra các Tào, gần như cơ quan đại diện của các Bộ tại Thăng Long. Quan tổng trấn Bắc Thành được quyền tự quyết cắt đặt quan lại, bãi quan miễn chức, xét xử kiện tụng, sau khi tiến hành xong rồi mới tâu trình. Bởi vậy, quan phủ ở Thăng Long – Bắc thành bấy giờ gần như một triều đình thu nhỏ. Điều đó cho thấy, nhà Nguyễn vẫn đề cao tầm quan trọng của Thăng Long đến mức nào.
Vua Gia Long cho phá dỡ Cấm thành Thăng Long, cho xây dựng lại một tòa thành mới hình vuông, mô phỏng theo kiểu Vauban của Pháp. Mỗi mặt thành được bố trí 2 pháo đài, mỗi góc đều có pháp đài góc. Thành ngoài được mở 7 cửa, trên mỗi cửa có lầu và cột đồng. Xung quanh thành đều có hệ thống hào được dẫn nước từ sông Tô Lịch. Cầu bắc qua hào để vào thành được xây bằng gạch nung chín. Nền thành rộng chừng 28m, mặt thành rộng khoảng 8m. Trên thành có xây tường nhỏ bằng gạch làm chỗ núp cho quân bắn xuống khi có chiến tranh.
Vua Gia Long cho xây thêm tòa điện phía sau điện Kính Thiên làm hành cung, xây các cửa thành Đông Nam, Tây Nam, Đông, Tây và Bắc. Phía trước Hoàng thành Thăng Long cũ, vua Nguyễn cho xây cột cờ, gọi là Điền Đài, cao 100 thước.
Tháng 7 năm 1820, vua Minh Mạng lại bổ sung thêm một số công trình ở Thăng Long. Vua Nguyễn cho dựng thêm các điện, đường hành cung và làm các quán dịch để tiếp sứ thần Trung Quốc từ Kinh Bắc lên tới Lạng Sơn. Phía trước điện Kính Thiên, vua Minh Mạng cho dựng điện Thị Triều và điện Cần Chánh. Ở bờ Nam sông Nhĩ đặt nhà tiếp sứ lợp ngói, bờ Bắc sông Nhĩ đặt các trạm sứ quán từ trạm Gia Quất đến Lạng Sơn cả thảy 7 trạm. Ở giữa trạm dựng một nhà ngói, các tòa nhà trước, sau và hai bên đều dùng gỗ tạp và lợp cỏ tranh.
Tới năm 1931, vua Minh Mạng thực hiện công cuộc cải cách hành chính với quy mô lớn. Cấp tổng trấn Bắc Thành và Gia Định Thành bị bãi bỏ. Vua Minh Mạng chia cả nước làm 30 tỉnh đặt dưới sự cai trị thống nhất của triều đình. Thủ phủ của Tổng trấn Bắc Thành, gồm khu vực Kinh thành Thăng Long các triều đại trước và mở rộng thêm, được cắt thành tỉnh Hà Nội. Bấy giờ, tỉnh Hà Nội được triều Nguyễn cắt đặt cho 4 phủ là Hoài Đức, Thường Tín, Ứng Hòa và Lý Nhân; 15 huyện là Thọ Xương, Vĩnh Thuận, Từ Liêm, Thượng Phúc, Thanh Trì, Thanh Oai, Chương Đức, Sơn Minh, Hoài An, Nam Xang, Duy Tiên, Bình Lục, Phú Xuyên, Kim Bảng và Thanh Liêm.
Thành tỉnh Hà Nội trước đó được nhà Nguyễn dựng lại với chu vi 1.728m, cao 4,5m, hào bao quanh rộng khoảng 16m. Đến lúc vua Minh Mạng chia lại tỉnh hạt, bèn cho bạt bớt đi 1 thước 8 tấc cho phù hợp với quy chế thành của một tỉnh.
Như vậy, đến thời Nguyễn, dù Kinh đô được đặt ở Huế, nhưng Thăng Long – Hà Nội vẫn tồn tại như một trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa, xã hội lớn, rất được triều đình coi trọng.
