Tønsberg på 1900-tallet og fram til vår tid kjennetegnes av både store samfunnsmessige og fysiske endringer. Likevel har byen bevart mye av sin historiske identitet som en sentral handels-, sjøfarts- og administrasjonsby helt fra vikingtid og middelalder fram til i dag.
I 1905 lå mulighetene for nasjonen Norge og byen Tønsberg åpne. Etter over 500 år enten underlagt eller i union med Danmark eller Sverige skulle landet og velferden bygges, ikke minst gjennom industrialisering av by og land.
Tønsberg hadde hatt en spredt industriutvikling helt siden slutten av 1700-tallet, men det var først omkring 1900 at den store industrietableringen kom for fullt. En lang rekke sentrale industribedrifter startet nå opp i Tønsberg-området, som papirfabrikk, sølvvare, steinindustri, bryggeri, smørfabrikk og skofabrikk. Ikke minst Kaldnes mekaniske verksted, etablert i 1899, skulle bli en av de dominerende industriarbeidsplassene i distriktet. Industrien satte definitivt sitt preg på byen. Mange arbeidssøkende fra omkringliggende bygder, eller enda lengre unna, kom flyttende til Tønsberg for å søke lykken.
Arbeiderbevegelsen ble etter hvert en økende kraft i byen ved siden av byborgerskapet, og i 1902 ble Tønsbergs Arbeidersamfunn stiftet, forløperen til Tønsberg arbeiderparti. Det politiske ordskifte ble skarpere og arbeidskonfliktene tydeligere. Den nasjonale storstreiken i 1921 satte også sitt preg på Tønsberg. På 1930-tallet ble imidlertid også Arbeiderpartiet integrert som en gjensidig og respektert motpart i lokalpolitikken. Modernisering og industrialisering fulgte hånd i hånd. Allerede i 1899 hadde de første husene i byen fått elektrisk belysning, men den store elektrifiseringen av boliger, næringsbygg og industri startet først da kommunen overtok elektrisitetsverket fra 1913. Veier og jernbane ble også stadig utbedret, og i 1915 ble Tønsberg jernbanestasjon flyttet opp til dagens plassering ved Knapløkka, hvor også Tønsberg-Eidsfoss-banen hadde startet opp fra 1901.
I takt med en voksende industri fikk Tønsbergs fremste kjennemerke, sjøfarten, redusert økonomisk rolle utover 1900-tallet. Første verdenskrig og de urolige 1920-årene skulle også føre med seg utfordrende økonomiske svingninger for næringen. I 1917 flagget det store Wilhelmsen-rederiet ut av byen og til hovedstaden, og antall handelsskip hjemmehørende i Tønsberg ble kraftig redusert. Samtidig holdt hvalfangsten fortsatt stand og økte fram mot 1930 da den i omfang oppnådde et høydepunkt. Også i etterkrigstida var det mange hvalfangere fra Tønsberg som dro på langvarige oppdrag i Sørishavet, helt fram til slutten av 1960-tallet da den antarktiske fangsten opphørte. Selv om sjøfarten har fått mindre betydning, er den fortsatt i dag en viktig del av byens identitet. Slottsfjellsmuseet, med sine maritime samlinger, Sjømannsforeningen, med Tønsberg Sjøfartshistoriske Senter i Tollboden, og Tønsberg kystkultursenter holder denne viktige historien i høyeste grad levende for oss.
Det frivillige organisasjonsliv hadde sin begynnelse på 1800-tallet, men det var først utover 1900-tallet at byens foreningsliv virkelig ble mangfoldiggjort og åpnet seg for nærmest enhver smak. Etter Andre verdenskrig kom også stadig nye kulturaktiviteter og idrettsgrener til og særlig mange foreninger rettet mot barn og ungdom. Viktige kulturinstitusjoner ble etablert i byen, som Tønsberg bibliotek i 1909, Vestfold Fylkesmuseum, dagens Slottsfjellsmuseet, i 1939 og Haugar Vestfold Kunstmuseum i 1993. Samtidig ble underholdningstilbudet i byen stadig bredere. Etter de første kinofremvisningene i Norge helt på tampen av 1800-tallet, ble omreisende kinoforestillinger svært populære. De første faste kinoene åpnet i Tønsberg i 1907 med kommunal kinodrift fra 1913.
Tønsberg har også fostret mange kjente kulturpersonligheter opp gjennom 1900-tallet, som operasanger Clara Hultgren (1877-1956), skuespiller og revyartist Per Asplin (1928-1996) og popartist Jahn Teigen (1949-2020). På midten av 1990-tallet regjerte gruppa Seigmen den norske rockescenen. Blant kjente gullvinnende idrettsprofiler, som har vært tilknyttet ulike Tønsberg-klubber, kan nevnes skøyteløperen Fred Anton Maier (1938-2015), kajakkpadlerne Jan Johansen (1944-) og Egil Søby (1945-), seileren Linda Cerup-Simonsen (1969-), skiløperen Anders Aukland (1972-) og håndballspilleren Tonje Larsen (1975-).
Helt fram til den tyske okkupasjonen av Norge 9. april 1940 var partiet Høyre dominerende i lokalpolitikken. Men etter at tyske soldater først entret Tønsberg 13. april 1940, ble lokaldemokratiet satt til side. Da hadde allerede flere Tønsberg-sjøfolk blitt trukket inn i krigen gjennom byens fangst- og handelsflåte. I løpet av krigen bidro disse, som del av den norske London-regjeringens rederi Nortraship, til å sikre nødvendige forsyninger sjøveien til de allierte i Europa, ofte under svært risikofylte forhold. Claudia Olsen fra Tønsberg, den første kvinnen som ble valgt til stortinget fra Vestfold, hadde selv to brødre som var krigsseilere. Hun skulle etter krigen bruke mye av sitt politiske virke til å tale krigsseilernes sak. Under krigen var Olsen dessuten en av mange som gjorde en stor innsats for motstandsbevegelsen, og Tønsberg ble et viktig senter for hjemmefronten i Vestfold.
Det som nok likevel har satt de sterkeste nasjonale sporene etter seg fra krigsårenes Tønsberg er etableringen av Berg interneringsleir utenfor byen høsten 1942. Leiren ble formelt opprettet etter initiativ fra NS-fører Vidkun Quisling, men det var lokale NS-medlemmer som bidro til planleggingen og ledelsen av leiren. I slutten av oktober 1942 ankom de første fangene Berg, over 300 jødiske menn fra store deler av det sørlige Norge. 227 av disse, alle som ikke var såkalt arisk gift, ble sendt videre til konsentrasjonsleiren Auschwitz i dagens Polen mot slutten av november 1942. Kun sju av de første Berg-fangene returnerte til Norge med livet i behold etter krigen. Nærmest hele det jødiske miljøet i Tønsberg ble utradert under Andre verdenskrig.
Tønsberg har helt siden Snorres skildringer vært kjent som en kjøpstad, altså en handelsby. Etter at industrien på 1970- og 1980-tallet fikk redusert betydning, vokste handels- og tjenestebyen Tønsberg fram med større omfang enn noen gang tidligere. Butikker av alle slag poppet opp, og fra 1990-tallet ble brygga, med de gamle sjøbodene, etablert som byens nye populære strøk for restauranter og utesteder. Tønsbergs handelsområde utvidet seg stadig, også oppover til øvre bydel. I 1971 ble Kremmerhuset ved Farmannstorvet innviet som et moderne kjøpesenter, fra 1995 slått sammen med kjøpesenteret Farmandstredet, som da også ble senterets felles navn. Moderne byutvikling skjøt også fart i Tønsberg helt mot slutten av 1900-tallet. Da det siste komplette skipet var ferdigbygget på Kaldnes mekaniske verksted i 1984, var en lang verftshistorie i Tønsberg over. Men da industrien forsvant, åpnet det seg nye muligheter for både nærings- og boligutvikling – en utvikling som fremdeles pågår.
Tønsberg har helt siden middelalderen vært en sentral by for et stort omland, men i etterkrigstiden vokste byen på mange måter ut av seg selv. På 1970- og 80-tallet stagnerte befolkningsutviklingen innenfor bygrensa med omkring 10 000 innbyggere. Befolkningsveksten fant nå i hovedsak sted i de tilgrensende områdene i Sem kommune. Mange så det derfor som helt naturlig at Sem og Tønsberg ble slått sammen, noe som også skjedde i 1988.
Ny kommunesammenslåing ble det også i 2020 da Re og Tønsberg ble slått sammen. Helt siden amtskommunen ble opprettet i 1837, hadde Tønsberg vært administrasjonssenteret (hovedstaden) i Vestfold. I 1843 ble også amtssykehuset etablert i byen – dagens Sykehuset i Vestfold. Da fylkeskommunen ble løst fra fylkesmannsembetet (Statsforvalteren), i 1976 beholdt begge institusjonene hovedkontor i Tønsberg fram til 2020, da fylkeskommunens hovedsete ble flyttet til Skien. Fra januar 2024 blir Vestfold igjen eget fylke og Tønsberg får tilbake sin rettmessige plass som fylkeshovedstad. Hovedkontorene for Sør-Øst politidistrikt og Vestfold tingrett ble i henholdsvis 2015 og 2019 vedtatt plassert i byen. Tønsberg er dermed den byen i Vestfold med definitiv flest offentlige arbeidsplasser.
Det er lange tradisjoner å feire store og små begivenheter i Tønsberg som Sankthansaften og 17. mai. Byens 1100-årsjubileet i 1971 sto heller ikke tilbake for tusenårsfesten 100 år tidligere. Selve høydepunktet i jubileumsåret 1971 var uroppførelsen av Kåre Holts historiske skuespill, Prinsesse Kristina av Tunsberg, på Tallak på Slottsfjellet. Noen år tidligere, fra 1968, hadde Hotel Klubben startet sine svært populære sommerrevyer, som høstet stor begeistring og satte Tønsberg på kartet som en populær sommer- og underholdningsby. Samme år ble også vare- og underholdningsmessa, Tønsbergmessa, dratt i gang og har siden vært en populær årlig begivenhet for mange. I senere tid har Thesbiteaterets forestillinger i Thaulowhullet på Frodeåsen, Tønsberg middelalderfestival, Slottsfjellfestivalen og Færderseilasen definitivt satt farge på og skapt liv og røre i byen gjennom travle festivaldager.
Men det er ikke bare de store festivalene som setter sitt preg på Tønsberg. Særlig i sommerhalvåret er det en lang rekke med små og store kultur- og idrettsarrangementer som finner sted i byen. Da kongeparet gjestet byen i juni 2012, lå byen badet i sol og hundrevis av mennesker hadde samlet seg ved brygga for å overvære selve hovedattraksjonen, sjøsettingen av Saga Oseberg, en kopi av Osebergskipet bygget av Stiftelsen Nytt Osebergskip. Stiftelsen, nå kjent som Oseberg Vikingarv, har bygget opp en sterk håndverkskompetanse, men også en betydelig evne til å formidle vikingtid til innbyggere og tilreisende fra den såkalte vikingodden ved brygga. I Tønsberg er ofte den rike byhistorien selve drivkraften i nye kulturprosjekter.
Byen Tønsberg har gått gjennom store endringer gjennom hele 1900-tallet, og bybildet er fortsatt i stadig forandring. Kaldnes-sida er nok det fremste eksempelet på moderne byplanlegging for både bolig og næring, til glede for noen og til forargelse for andre. Stadig flere flytter nå tilbake til bykjernen, noe som skaper nye behov for arbeidsplasser, skoletilbud, næringsutvikling og fritidstilbud. Handelsnæringen har de senere årene merket betydelig konkurranse, først fra kjøpesentre utenfor bykjernen og siden fra netthandel, men byens rolle som en viktig sosial møteplass, for både små og store, vil nok aldri bli akterutseilt. Hvordan utviklingen går videre, er ikke godt å si, men byens over tusen år lange historie vil nok alltid ligge som et fundament for byens identitet og selvforståelse, på tross av alle fysiske og samfunnsmessige endringer som vil finne sted.
