清朝宣統(tǒng)三年（1911年）辛亥革命后，民國元年（1912年）1月1日，中華民國臨時政府定都南京。同年3月，袁世凱將臨時政府遷至北京，北京再次成為首都。民國伊始，北京的地方體制仍依清制，稱順天府。直至民國三年（1914年），改順天府為京兆地方，直轄于北洋政府。這一時期，北京新建了有軌電車系統(tǒng)，和一批現(xiàn)代的文化教育機構(gòu)，如北京大學、燕京大學、清華大學、輔仁大學、協(xié)和醫(yī)學院等。

民國十七年（1928年）國民革命軍北伐，攻北京，張作霖退回關(guān)外。后被日本關(guān)東軍謀刺于皇姑屯，東北易幟，北洋政府結(jié)束運作。

北伐戰(zhàn)爭后，中國的首都回遷南京。撤銷京兆地方，改名為北平特別市。民國十九年（1930年）6月，北平降格為河北省轄市，同年12月復升為院轄市，相當于今日的直轄市。這一時期，北京雖不再是首都，但在教育方面仍有關(guān)鍵優(yōu)勢，擁有國立的北京大學，清華大學等著名高校，被國際人士稱為“中國的波士頓”。

民國二十六年（1937年）七七事變后，北平被日軍占領(lǐng)，將北平改名為北京。民國三十四年（1945年）日本宣布向同盟國投降，中國抗日戰(zhàn)爭結(jié)束。同年8月21日第十一戰(zhàn)區(qū)孫連仲部接收北京，并恢復原名北平。

為與中國共產(chǎn)黨對決，民國三十六年（1947年）11月蔣中正命令于北平成立華北剿匪總司令部。民國三十八年（1949年）1月，傅作義與中國共產(chǎn)黨達成和平協(xié)定，率中華民國國軍25萬守軍投降，1月31日，中國人民解放軍和平進入北平市，并改稱北京市，北平市走入歷史。