I 1852 blev demarkationslinjen flyttet til Søerne og efterhånden afviklet. Dette satte gang i et omfattende byggeri på Nørrebro. Indtil 1870 var væksten i helt overvejende grad koncentreret til Indre Nørrebro, selv om der allerede da blev anlagt enkelte nye gader nord for Jagtvej. Udstykningerne i 1850’erne og 1860’erne skete uden overordnet plan, hvorved parcellerne fik meget forskellig størrelse. Alle de fire store jordbesiddere på Indre Nørrebro, bl.a. Ladegårdens inspektør Frederik Christoffer Bülow og kaptajn Henrik Christian Bangert, foretog store udstykninger. Køberne, hvoraf mange var håndværkssvende inden for byggesektoren, stod for byggeriet, og de videresolgte ofte husene inden for et par år. De ejendomme, der blev opført på Nørrebro i 1850’erne og 1860’erne, var dog generelt af bedre kvalitet end de huse i Indre By og på landet, hvor tilflytterne kom fra.
Nørrebro oplevede en massiv tilvækst i anden halvdel af 1800-tallet. I 1860 blev der således registreret 15.055 indbyggere, i 1880 45.694 og i 1901 92.104. Efter 1870 førte dette både til omfattende byggeri på Ydre Nørrebro og til en stærk fortætning af bebyggelsen på Indre Nørrebro, hvor de mange huller i husrækkerne blev fyldt ud, og der blev opført mange huse i flere etager samt et stort antal baghuse. Sidstnævnte blev ofte både anvendt til beboelse og erhvervsformål, herunder talrige småfabrikker, der gav beskæftigelse til mange lokale beboere.
Den del af Indre Nørrebro, som senest blev bebygget (i de sidste årtier af 1800-tallet), var strækningen mellem Assistens Kirkegård og Ladegårdså. Området samt de omkringliggende gader var kendt under navnet Rabarberlandet, fordi det længe var præget af gartnerier med grøntsagsavl.
Mens bydelen før 1850 havde haft en bredt sammensat befolkning, deriblandt en del embedsmænd, funktionærer og ældre, fik Indre Nørrebro nu en stor arbejderbefolkning. Der var dog også mange handlende og håndværkere, og nogle gader, fx Blågårdsgade, fastholdt længe et middelklassepræg, mens andre, fx nogle af sidegaderne til Blågårdsgade, tidligt fik en klar overvægt af faglærte og ufaglærte arbejdere. Ydre Nørrebro var derimod gennem hele 1800-tallet domineret af selvstændige næringsdrivende og andre lidt bedrestillede befolkningsgrupper.
I løbet af 1800-tallet blev Nørrebro hjemsted for en række større industrier, især inden for jern- og metalbranchen. Det drejede sig om Anker Heegaards Jernstøberi, S.H. Ludvigsens fabrik fra 1838 (senere Ludvigsen & Hermann), der bl.a. blev kendt for at fremstille centralvarmeanlæg, lygtepæle, kloakdæksler og parkbænke, A/S Atlas fra 1897/98, der fik speciale i at producere dampmaskiner og køleaggregater til mejerier, slagterier og bryggerier m.m., samt S.C. Haubergs maskinfabrik, der efter en fusion med andre firmaer i 1897 antog navnet A/S Titan – en virksomhed, der især kom til at markere sig stærkt som producent af centrifuger og elevatorer. I 1914 beskæftigede Titan 580 industriarbejdere. I 1965 overtog Thomas B. Thriges Fond aktiemajoriteten; dette førte til dannelsen af Thrige-Titan, men også til lukningen af fabrikken på Nørrebro. Af andre væsentlige industrier kan nævnes Rud. Rasmussens Snedkerier fra 1875, som blev kendt for højkvalitetsmøbler, Schulstad og Ludvigsens brødfabrik, der lå på Nørrebro fra 1890 til 1950’erne, hvor der skete en gradvis udflytning til Glostrup, og Schiønning & Arvé, etableret i 1896, der blev Danmarks førende virksomhed med hensyn til fremstilling af dæk og slanger til cykler og motorkøretøjer. General Motors International flyttede 1930‑33 sin danske fabrik fra Sydhavn til Aldersrogade, hvor den lå indtil lukningen i 1974.
Nørrebro blev også forsynet med en lang række institutioner i den stærke vækstperiode fra 1850 til 1. Verdenskrig. Der blev således indviet ikke færre end 12 lutherske kirker i denne periode, hvoraf Sankt Johannes Kirke fra 1861 er den ældste; til gengæld blev der kun opført ganske få kirker efter 1914. Der blev også oprettet to seminarier, nemlig Blågårds Seminarium (fra 1859, fusioneret med Jonstrup Seminarium 1992), der i størstedelen af tiden frem til 1963 havde adresse på Nørrebro, samt N. Femmers seminarium for kvinder, som havde til huse i bydelen i hele sin levetid (1861‑1938). Landsarkivet for Sjælland mv. havde samme adresse på Jagtvej lige fra åbningen i 1893 til lukningen i 2012. I 1886 fik Nørrebro igen et teater. Det blev indrettet i det tidligere landsted Store Ravnsborg, og bortset fra årene 1961‑66, hvor det var lukket, har det altid ligget på dette sted.
Blegdamshospitalet, der blev taget i brug i 1879 og eksisterede til 1970’erne, var det første hospital på Nørrebro. Siden fulgte Balders Hospital (1903‑34), Rigshospitalet (etableret på Blegdamsvej i 1910) og Københavns Militærhospital (1928‑63). I slutningen af 1800-tallet fik bydelen også et stort antal sociale institutioner og stiftelser, hvoraf en del blev oprettet af håndværkerforeninger til gavn for ældre håndværkere og deres enker. De vigtigste større institutioner var Sankt Johannes Stiftelse (en kombineret optagelsesanstalt for børn, arbejdsanstalt og sygehus 1885‑1918), Almindelig Hospital, senere kendt som Nørre Hospital og Københavns Plejehjem (der lå på Nørre Allé fra 1892 til 1919, da det overtog Sankt Johannes Stiftelses bygninger i Ryesgade, hvor det forblev indtil nedlæggelsen i 1978) samt De Gamles By, der overtog Almindelig Hospitals bygninger på Nørre Allé i 1919.
Den første jernbanestation på Nørrebro blev opført mellem Stefansgade og Hillerødgade (Lyngbygade) i 1886. Herfra var der bl.a. forbindelse til den daværende hovedbanegård samt Hellerup og Frihavnen, der blev åbnet i 1894. Den store varetransport gennem denne havn var – sammen med byggeaktiviteterne på Nørrebro og den stigende tilførsel til København af landbrugsprodukter fra Nordsjælland – en vigtig årsag til, at Nørrebrobanens godstrafik oplevede en gylden tid i årtierne omkring år 1900. Derimod blev persontrafikken via Nørrebro stærkt reduceret, efter at jernbaneforbindelsen mellem det centrale København og stationerne nord for København omkring 1920 blev henlagt til den nye Boulevardbane. I 1930 blev ringbanen åbnet med en ny Nørrebro Station, i 1934 blev den elektrificeret som S-togslinje. En del af det hidtidige jernbaneområde blev herefter omdannet til Nørrebroparken. Af stor betydning for infrastrukturen var også, at Ladegårdså blev overdækket, og at Åboulevard blev anlagt på dette sted. Den første overdækning fandt sted i 1897; den sidste i 1942.
Nørrebro fortsatte sin befolkningsmæssige vækst i første halvdel af 1900-tallet; i 1925 nåede indbyggertallet op på 124.612 og i 1950 på 114.851 indbyggere. I 1920’erne blev der også opført en del nye karréer, især på Ydre Nørrebro, hvor Københavns Kommune stod for meget af byggeriet, bl.a. i Struenseegade, hvor der – som reaktion mod spekulationsbyggeriet sidst i 1800-tallet – blev lagt vægt på at opføre gedigne arbejderboliger med lys og luft.
Under Besættelsen var Nørrebro et af de steder, hvor modstandsbevægelsen tidligst fandt fodfæste, og karakteristisk nok blev Frihedsrådet stiftet i en lejlighed på Nørrebrogade i september 1943. Under folkestrejken i juni-juli 1944 var der en meget spændt stemning i kvarteret. Det gik ud over varehuset Buldog, som blev plyndret og udsat for ildspåsættelse, fordi ejeren angivelig var tyskvenlig.
Mellem 1960 og 1970 faldt Nørrebros befolkningstal fra 105.305 til 90.646. Nedgangen afspejlede en ændring i befolkningssammensætningen, idet mange børnefamilier nu begyndte at flytte ud af København, mens ældre typisk blev boende i bydelen. Til gengæld blev det almindeligt, at unge under uddannelse slog sig ned på Nørrebro, men flyttede væk igen efter nogle år. Der skete også et stort fald i antallet af butikker på Nørrebro i 1960’erne, og ikke mindst den tidligere så travle strøggade Blågårdsgade oplevede denne udvikling. Til gengæld blev nogle af gaderne på Indre Nørrebro, især Stengade, i årene omkring 1970 plaget af narkotikarelateret kriminalitet og prostitution.
Det var også i 1960’erne, at begrebet den sorte firkant opstod som stigmatiserende beskrivelse af området mellem Søerne, Nørrebrogade, Assistens Kirkegård og Åboulevard. Baggrunden var, at mange af boligerne i området ikke længere havde en tidssvarende kvalitet, og at en stor del af husene heller ikke havde været tilstrækkeligt vedligeholdt gennem en længere årrække. Saneringsloven fra 1969, som gjorde det muligt at gennemføre saneringer i større omfang end tidligere, blev taget i brug på Nørrebro allerede 1969‑71, hvor bl.a. Murergade blev totalsaneret, og i 1972 blev karréen Stengade-Baggesensgade-Slotsgade-Prins Jørgens Gade revet ned. Mange andre gamle huse på Indre Nørrebro blev fjernet i de følgende år (især efter at der var vedtaget en helhedsplan for saneringerne i 1979), men en del steder gik der meget lang tid, før de nedrevne huse blev erstattet af nyt byggeri. Stengadetomten fik således lov til at stå ubeboet indtil 1980. I mellemtiden var der på privat initiativ, men med kommunal godkendelse, etableret en midlertidig byggelegeplads på dette sted. Rydningen af Byggeren i 1980 blev det første af en række dramatiske opgør mellem politi og lokale beboere, som bydelen kom til at opleve i tiden efter 1970. Senere fulgte bl.a. aktionen mod bz’erne i Allotria-huset i 1983, urolighederne på Sankt Hans Torv og Fælledvej efter EU-folkeafstemningen i 1993 og rydningen af Ungdomshuset (det tidligere Folkets Hus, som kommunen i 1982 havde stillet til rådighed for unge aktivister) i 2007.
Saneringen af den sorte firkant og senere, men langt mere skånsomme saneringer andre steder på Nørrebro, har betydet en væsentlig reduktion af bygningsmassen. Især er der ryddet kraftigt ud i baggårdsbebyggelsen. I sammenhæng med dette skete der en markant reduktion i befolkningstallet, så bydelen i 1985 nåede ned på 65.427 indbyggere; siden er tallet vokset lidt på ny. Der har især været tale om en kraftig reduktion af den danskfødte arbejderbefolkning. Til gengæld har der siden 1980’erne været en betydelig vækst i antallet af personer med udenlandsk baggrund, så indvandrere og efterkommere i 2005 udgjorde 25 % af befolkningen på Indre Nørrebro og næsten 30 % på Ydre Nørrebro. I 1970’erne og 1980’erne udgjorde eksjugoslaverne den største gruppe, efterfulgt af pakistanere, tyrkere og marokkanere, men siden er der også kommet mange indvandrere fra bl.a. Polen, Irak, Iran, Libanon og Somalia. Også den danskfødte del af Nørrebros beboere er meget heterogen, fx er der mange studerende og akademikere, og befolkningens sammensætning varierer mange steder fra gade til gade, afhængigt af boligtype.
