Le 16ème siècle connaît un nouvel élan grâce au roi François 1er qui décide de résider dans la capitale après 1530. Décidé à faire revivre Paris et à lui donner le statut de ville royale et de capitale, François 1er fait abattre le vieux Louvre pour le transformer en Palais Renaissance, et il engage les travaux de l'église Saint-Eustache et de l'Hôtel de Ville. Sous l’influence très forte du roi et ouverte aux idées de la Renaissance, la ville de Paris connaît à nouveau un exceptionnel rayonnement intellectuel et culturel grâce à l'essor de l'imprimerie et au travail de nombreux poètes et savants humanistes, dont les plus éminents enseignent au nouveau Collège de France.
Profondément catholique, la ville de Paris est fondamentalement hostile à la Réforme: dès 1534, les passions religieuses divisent la cité entre catholiques et protestants. Les rivalités croissantes débouchent sur un massacre, celui des huguenots, à la Saint-Barthélemy, en 1572, puis sur l'assassinat du Duc de Guise, en 1588. Le roi Henri III est déclaré déchu, et Henri IV n'entre à Paris qu'après avoir renié sa foi protestante.
Sensible au développement architectural et au poids politique que doit représenter la capitale, Paris, Henri IV poursuit les travaux entrepris au Louvre et au château des Tuileries, travaux commencés par Catherine de Médicis et qui vont favoriser l'extension des beaux quartiers vers l'ouest parisien.
Décidé et volontaire, le monarque achève les travaux de l'Hôtel de Ville et au Pont-Neuf, puis fonde un nouveau type de places, géométriques et homogènes, comme la place Royale (aujourd'hui appelée place des Vosges) et la place Dauphine, faisant de Paris l’une des plus belles villes d’Europe.
Le rayonnement culturel de la capitale se renforce sous Louis XIII, avec la création de l'Imprimerie Royale en 1620, du Jardin des Plantes et de l'Académie française. Louis XIII crée également de nouvelles fortifications sur la rive droite (à l’emplacement des actuels ‘Grands Boulevards’) pour permettre à la ville de s'agrandir. De nouveaux quartiers remplacent la campagne dans le faubourg Saint-Honoré, l'île Saint-Louis, le Marais et le Faubourg Saint-Germain. Paris se développe, s’agrandit, s’impose comme capitale.
Comme tous les grands hommes qui veulent marquer de leur empreinte l’architecture de la ville de Paris, le cardinal Richelieu se fait construire le Palais-Cardinal (aujourd'hui appelé Palais-Royal), tandis que Marie de Médicis déménage au palais du Luxembourg.
Sous le règne de Louis XIV, la ville de Paris est affectée par les troubles de la Fronde. Mais le peuple parisien se retire rapidement de cette guerre entre grands seigneurs. Malgré cela, Louis XIV, devenu le Roi-Soleil, n'oubliera jamais qu'il avait dû fuir, encore enfant, la capitale. Il boudera Paris et s'installera à Saint-Germain, puis à Versailles, en 1680.
Avec ses 500 000 habitants, Paris reste cependant le centre de la vie intellectuelle et ne cesse de s'embellir: les constructions majestueuses se poursuivent, sous l'autorité de Colbert, qui fait appel à de grands architectes comme François Mansart et Claude Perrault. C’est de la fin du 17ème siècle que datent la colonnade du Louvre (qui marqua l'avènement du style classique par opposition au baroque italien), les Invalides, l'Observatoire, l'hôpital de la Salpêtrière, le Collège des Quatre-Nation (aujourd'hui appelé l'Institut), les Portes Saint-Denis et Saint-Martin, les places royales Louis-le-Grand (devenue place Vendôme) et des Victoires, les jardins des Tuileries, la manufacture des Gobelins,...
Des monuments, places et jardins de toute beauté qui contrastent pourtant fortement avec le Paris populaire surpeuplé et affamé. Un contraste qui nourrira les fondements d’une révolution qui éclatera quelques décennies plus tard.