Харьков стал узлом нескольких важных железных дорог. Близость к Донбассу и Криворожью с их развивающейся каменноугольной и железорудной промышленностью, повышение спроса на машины для нужд сельского хозяйства определили основное направление развития промышленности Харькова, ставшего центром машиностроения и металлообработки всероссийского масштаба.
Быстро росло население Слобожанщины. В 1851 году население Харьковской губернии насчитывало 1866 тыс. жителей, а в 1897 году – уже 2510 тыс. Впечатляет рост Харькова: в 1861 году городское население составляло 50 тыс. человек, в 1897-м – 175 тыс., в 1901-м – 198 тыс., в 1917 году – 382 тыс. человек.
В конце XIX века в Харькове находились университет, духовная семинария, ветеринарный институт, 3 классические гимназии, классическая прогимназия, коммерческое училище, реальное училище, техническое железнодорожное училище, институт благородных девиц, 6 женских гимназий, 9 частных учебных заведений, 6 городских училищ, 3 воскресные школы, 72 начальных народных училищ, 7 церковно-приходских школ, 3 еврейские хедеры, издавались свыше 20 городских газет. Но, как и прежде, школы в основном были доступны лишь детям из зажиточных слоев населения. В 1878 году в 68 учебных заведениях обучалось 7849 человек, что было значительно меньше, чем в других крупных городах России. Около 70 % населения Харькова до революции оставалось неграмотным.
Тем не менее Харькова превратился в научный центр общероссийского значения. Профессор Харьковского университета Н. Бекетов относится к числу самых выдающихся химиков XIX столетия. На Харьковщине родился И. Мечников, провел первую в мире операцию на сердце А. Пидриз, В. Данилевский стал одним из основателей энцефалографии.
В 1897 году в городе было 259 фабрик и заводов с 11 тыс. рабочих, с годовым производством свыше 16 млн рублей. Ремесленников здесь числилось до 4100 человек.
В начале XX века Харьков продолжает расти как крупный промышленный центр юга России. К 1917 году количество рабочих в Харькове увеличилось по сравнению с 1899 годом более чем в три раза и составляло свыше 35 тыс. человек. В конце XIX – начале XX веков в городе открывается ряд банков, здесь обосновались конторы крупнейших в России синдикатов «Продамет» и «Продуголь», проходили съезды горнопромышленников.
Велись работы по благоустройству города. На центральных магистралях строились мостовые. В 1871 году в Харькове на смену масляным фонарям пришли газовые, а в начале XX века – электрические. В 1882 году проложена первая линия городской конной железной дороги (конки). В 1897 году в Харькове построена электростанция, появилось трамвайное сообщение.
Впрочем, социальные проблемы привели к тому, что край стал одним из центров революционного движения. Еще в 1872 году в городе произошло стихийное выступление рабочих и ремесленников против произвола полиции и местных властей. Два дня продолжались волнения, в которых приняло участие около 3 тыс. человек. Рабочие и городская беднота разгромили полицейские участки и квартиры некоторых чинов полиции. На подавление выступления была мобилизована вся полиция города, а также воинские части. Чуть позже в Харькове действовала местная организация «Народной Воли», организовавшая покушение на харьковского губернатора. В начале 1890-х годов возникли первые марксистские кружки. В 1898 году создан харьковский комитет РСДРП. В дальнейшем Харьков был одним из центров большевизма.
Впрочем, в Харькове появились также и украинские самостийнические организации. Летом 1891 года несколько харьковских студентов создали организацию «Братство тарасовцев». В 1897 году в Харькове возникло тайное Украинское студенческое общество. Наконец, в январе 1900 года на собраниях студенческих обществ Харькова создана первая в России украинская политическая партия – Революционная украинская партия (РУП), по своим программным целям близкая к социал-демократам. Впрочем, «руповцы» быстро раскололись и сошли со сцены. Как и во всей Малороссии, харьковские самостийники были малочисленными – не более 100 человек во всех вместе взятых организациях, и были совершенно незаметны на фоне социал-демократов, эсеров или кадетов.
В начале XX века в Харькове неоднократно происходили забастовки и массовые манифестации. Во время революции 1905–1907 годов на Слобожанщине состоялся ряд политических забастовок и вооруженных выступлений рабочих, крестьянских беспорядков.
Харьковская губерния также переживала экономический подъем, хотя губернский центр «оттянул» на себя большую часть промышленности. В 1901 году в губернии проживало 2 773 047 человек (1 427 869 мужчин и 1 345 178 женщин). В городах проживали 395 738 человек, или 14 % всего населения; в селениях – 2 377 309 человек, или 86 %. На 1 кв. версту приходилось 57,9 жителей. Малороссы – 80,6 %, русские – 17,7 %. Естественный прирост населения был велик. Так, в 1901 году он равнялся 2 % в год.
В составе Украины