Cuối năm 1945, quân đội Pháp quay lại Đông Dương. Sau những thương lượng không thành, Chiến tranh Đông Dương bùng nổ vào tháng 12 năm 1946 và thành phố Hà Nội nằm trong vùng kiểm soát của người Pháp. Năm 1954, chiến thắng Điện Biên Phủ giúp những người Việt Minh lấy lại miền Bắc Việt Nam, Hà Nội tiếp tục giữ vị trí thủ đô của Việt Nam Dân chủ Cộng hòa. Vào thời điểm được tiếp quản, thành phố gồm 4 quận nội thành với 34 khu phố, 37.000 dân và 4 quận ngoại thành với 45 xã, 16.000 dân. Cuối thập niên 1950 và đầu thập niên 1960, Hà Nội nhiều lần thay đổi về hành chính và địa giới. Năm 1958, bốn quận nội thành bị xóa bỏ và thay bằng 12 khu phố. Năm 1959, khu vực nội thành được chia lại thành 8 khu phố, Hà Nội cũng có thêm 4 huyện ngoại thành. Tháng 4 năm 1961, Quốc hội quyết định mở rộng địa giới Hà Nội, sát nhập thêm một số xã của Hà Đông, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc và Hưng Yên. Toàn thành phố có diện tích 584 km², dân số 91.000 người. Ngày 31 tháng 5 năm 1961, bốn khu phố nội thành Hoàn Kiếm, Hai Bà Trưng, Ba Đình, Đống Đa và 4 huyện ngoại thành Đông Anh, Gia Lâm, Thanh Trì, Từ Liêm được thành lập.