Sau chiến thắng của khởi nghĩa Lam Sơn, Lê Lợi thành lập nhà Lê và Đông Đô cũng lấy lại vị thế kinh thành. Năm 1430, thành phố được đổi tên thành Đông Kinh, đến 1466 được gọi là phủ Trung Đô. Hoàng thành Thăng Long dưới thời nhà Lê tiếp tục được mở rộng. Bên cạnh, khu vực dân cư được chia thành 2 huyện Vĩnh Xương và Quảng Đức, mỗi huyện 18 phường. Thời kỳ này, đứng đầu bộ máy hành chính là chức Phủ doãn. Thành phố tiếp tục một thời kỳ của những phường hội buôn bán, tuy bị hạn chế bởi tư tưởng ức thương của nhà Lê. Trong giai đoạn tranh giành quyền lực giữa nhà Lê, nhà Mạc và chúa Trịnh, Thăng Long vẫn duy trì vị trí kinh đô. Sự phức tạp của chính trị thời kỳ này cũng đem lại cho thành phố một điểm đặc biệt: Bên cạnh hoàng thành của vua Lê, phủ Chúa Trịnh được xây dựng và là trung tâm quyền lực thực sự. Nhờ nền kinh tế hàng hóa và sự phát triển của ngoại thương, đô thị Thăng Long bước vào thời kỳ phồn vinh, thu hút thêm nhiều cư dân tới sinh sống. Câu ca Thứ nhất Kinh kỳ, thứ nhì Phố Hiến nói lên sự sầm uất giàu có của thành phố, giai đoạn này còn có tên gọi khác là Kẻ Chợ. Nhà truyền giáo người Pháp Alexandre de Rhodes ước tính dân số Thăng Long khi đó khoảng 1 triệu người. William Dampier, nhà phiêu lưu người Anh, đưa ra con số thường được xem hợp lý hơn, khoảng 2 vạn nóc nhà.