Fra anden halvdel af 1800-tallet skete der en betydelig udvikling i området. Hvor der i 1801 var 360 indbyggere, så var der i 1860 1.118 indbyggere, og i 1895 lå tallet på 3.851. Med opgivelsen af byggeforbuddet uden for Søerne i 1852 voksede København i flere retninger; bl.a. opstod der en bebyggelse langs nordsiden af Frederikssundsvej på strækningen fra Frederiksborgvej ud til Utterslev. Der var tale om dårligt byggede huse i en til to etager på små parceller, hvor der også kunne ligge små værksteder og skure. Først efter 1880 blev der opført boligkarréer i op til fem etager. Langt størstedelen af den øvrige bydel var dog landbrugsområde.
Fra 1870 og især i 1890’erne begyndte Københavns Kommune at opkøbe grunde i landsbyerne Emdrup og Utterslev for at sikre sig plads. Fra 1870’erne begyndte industrivirksomheder at etablere sig i området; de første lå omkring Frederikssundsvej. I 1885 flyttede Hannibal Sander sin vaskerivirksomhed fra det indre København til Emdrup Sø. Her udviklede virksomheden sig og blev til Hannibal Sanders Farverier, Dampvaskeri og Kemisk Tøjrensning. I 1920’erne var der ca. 250 ansatte på fabrikken, der lå her indtil 1971. Også i området omkring Glentevej opstod tidligt en lang række virksomheder, bl.a. jern- og produkthandlere. Ved Lygten åbnede Mejeriet Enigheden i 1897.
I 1901 blev den nuværende bydel sammen med en lang række andre områder indlemmet i Københavns Kommune, først og fremmest for at sikre plads til boliger til den hastigt voksende befolkning i København. Der blev i det følgende årti igangsat en række initiativer, fx blev der anlagt veje som Tagensvej og Borups Allé for at sikre forbindelse til de nye områder. Allerede i 1896 var Utterslev Gas- og Vandværk blevet taget i brug. Det var i drift indtil 1913. I 1906 åbnede Slangerupbanen med endestation i Lygten; Lygten Station blev kaldt København L. Stationsbygningen blev tegnet af Statsbanernes overarkitekt, Heinrich Wenck. Samtidig kom der også station i Emdrup.
For at dække et stigende behov for hospitalssenge påbegyndtes i 1908 opførelsen af Bispebjerg Hospital på Bispebjerg Bakke, hvor der var god plads og fri natur til det omfattende byggeri. Bispebjerg Kirkegård var allerede blevet indviet i 1903, og i 1921 påbegyndtes byggeriet af den monumentale Grundtvigs Kirke.
Boligmanglen i det indre København betød, at der i perioden 1920‑40 blev igangsat et omfattende boligbyggeri i Bispebjerg. Dette blev overvejende varetaget af de sociale boligselskaber med inddragelse af nogle af landets bedste arkitekter, som opførte etageejendomme med toværelses lejligheder i rimelig god kvalitet. I tilknytning til Grundtvigs Kirke opførtes 1924‑26 bebyggelsen På Bjerget. Det 280 m lange etagebyggeri Storgården blev opført i 1935. Et eksempel på socialt boligbyggeri af høj kvalitet er Klokkergården fra 1939, der fik små afskærmede altaner. Boligbyggeriet omfattede også rækkehuse og villaer, bl.a. ved Emdrup Sø, hvor der hidtil havde været mange kolonihavehuse med nyttehaver. I 1940’erne var bydelen Bispebjerg stort set færdigudbygget. Befolkningstallet lå i 1945 på 73.542.
Sikringen af de grønne områder indgik også i udbygningen af bydelen. Den tørlagte Lersø blev i årene 1909-10 omdannet til den offentlige park Lersøparken. Lersøområdet havde i perioden 1880‑1920’erne fungeret som en form for losseplads, og da opfyldningen var afsluttet, blev området – ud over Lersøparken – brugt som jernbaneterræn og udlagt til kolonihaver. I 1930’erne blev Utterslev Mose omlagt til naturpark.
Den voksende befolkning skabte behov for flere skoler. Bispebjerg Skole var allerede blevet opført i 1912, men nu opførtes bl.a. Grundtvigskolen i 1938 (2008: Tagensbo Skole), i 1939 påbegyndtes byggeriet af Emdrup Skole (1979: Lundehusskolen), og i 1950 fulgte Utterslev Skole. Der blev også rejst flere kirker; Lundehus Kirke blev indviet i 1957 og Emdrup Kirke i 1961. Utterslev Kirke blev indviet i 1963 efter siden 1938 at have haft midlertidigt til huse i en længe tilhørende Utterslevgård.
I 1947 blev et område ved Lersø Parkallé udlagt til industriområde, der fik navnet Konfektionsbyen.
Emdrup Station var i 1948 blevet lukket for persontog; godsbetjening fortsatte dog til 1974. Slangerupbanen blev forkortet til Farum og blev fra 1954 kaldt Hareskovbanen. Denne bane blev i 1976 ført over til Svanemøllen Station, og året efter blev det til en S-togslinje. Dette betød, at Lygten Station nedlagdes, og stationsbygningen fik anden anvendelse, i dag som kulturcenter. I 1996 åbnede den nye S-togsstation Bispebjerg.
I slutningen af 1900-tallet blev mange af bydelens industrier omdannet til serviceerhverv. Nær den tidligere stationsbygning opførtes i 1995 butikscenteret Nørrebro Bycenter. Tidligere industrianlæg ved bl.a. Lygten er blevet ændret til kontorhuse, og serviceorienterede erhverv har taget over fra industrien.