Khi Huế trở thành kinh đô thì nhà Nguyễn hạ cấp Thăng Long là Bắc thành. Dù tên gọi không thay đổi nhưng chữ “Long” với nghĩa là rồng bị chuyển thành chữ “Long” với nghĩa là thịnh vượng.
Vua Gia Long cũng xây lại thành mới vì Bắc thành không thể to hơn kinh đô Huế. Sách Đại Nam thực lục chính biên chép: “Năm Gia Long thứ 4 (1805) cho xây lại thành Thăng Long ở ngay vị trí cũ, kích thước thu hẹp lại hơn trước. Thành hình vuông vắn chu vi đo được là 1.285 trượng 6 thước 5 tấc, nghĩa là mỗi cạnh hơn 1 cây số. Tường thành cao 5 m, xung quanh có hào rộng 20 m, sâu 5 m. Thành có 5 cửa, riêng phía nam có 2 cửa, trên cửa có gác canh gọi là thú lâu. Trên thú lâu có lính trực canh suốt ngày đêm. Tại các góc thành đều có tháp bảo vệ xây lồi ra. Từ ngoài vào trong thành phải qua 2 lần cầu trên 2 tuyến hào”.
Trung tâm thành vẫn là điện Kính Thiên, phía sau điện Kính Thiên là Hành cung nơi dành cho vua ở mỗi khi tuần giá Bắc Hà. Phía đông thành là dinh Tổng trấn sau là Tổng đốc rồi Tuần phủ. Đời vua Minh Mạng đã đổi Bắc thành thành tỉnh Hà Nội. Năm 1835, Minh Mạng cho hạ thấp tường thành xuống 1 thước 8 tấc (tương đương 3,7 m) cho bịt 2 cửa Tây và Nam, từ đây thành được gọi là thành Hà Nội. Cũng trong năm này, Minh Mạng cho san bằng thành Gia Định.
Năm Tự Đức thứ nhất (1848), vua ra lệnh phá dỡ các cung điện xây từ thời nhà Lê lấy đồ gỗ, đá chạm trổ đưa về Huế để trang trí nên chỉ còn lại đôi rồng đá trước điện Kính Thiên. Thời vua Tự Đức, trong thành có 3.000 quân cùng gia đình của họ khiến trong thành như một thị trấn riêng biệt.
Sau khi chiếm Nam kỳ, thực dân Pháp mưu tính chiếm Bắc kỳ. Năm 1873 Pháp cho quân đánh thành Hà Nội lần thứ nhất, dù có rất đông binh lính nhưng thành bị thất thủ vì vũ khí lạc hậu, vì quan điểm chủ hòa của nhà Nguyễn chi phối nên thành nhanh chóng rơi vào tay quân Pháp.
Sau khi hòa đàm với những điều kiện do Pháp đưa ra, họ trả lại thành cho nhà Nguyễn. Năm 1882, Pháp đánh thành lần thứ hai. Dưới sự chỉ huy của Tổng đốc Hoàng Diệu quân lính chống đỡ quyết liệt nhưng bị thất thủ, Hoàng Diệu đã tuẫn tiết.
Chiếm được thành, chỉ huy quân Pháp là Henri Rivière sai phá các cửa thành, bạt thấp một số đoạn tường, điện Kính Thiên bị sửa làm lô cốt. Ban đêm nghĩa quân các vùng lân cận mang quân quấy rối trong thành nên lính phải chui vào lô cốt cố thủ. Các quan tỉnh Hà Nội phải ra hết bên ngoài.
Cửa Đoan Môn bị sửa chữa làm nơi ở cho lính. Cột cờ xây năm 1812 được làm thêm mái che mưa che nắng, bên trong nuôi chim bồ câu đưa thư cho bộ phận thông tin của quân Pháp. Khi Pháp tiến hành bình định các tỉnh phía bắc, lính bị thương nhiều nên quân đội Pháp cho làm bệnh viện ở góc thành phía tây. Năm 1887, Hành cung Kính Thiên bị phá để xây tòa nhà hai tầng làm sở chỉ huy pháo binh. Trong thời kỳ Pháp đóng quân trong thành, thành hoang tàn và bị phá nát.
Ngày 23/7/1893, hội đồng TP.Hà Nội họp và đi đến quyết định phá bỏ 4 bức tường thành Hà Nội. Sau đó, Toàn quyền Đông Dương Lanessan (1891 – 1894) đại diện cho chính phủ Pháp ký hợp đồng phá dỡ tường thành với đại diện nhà thầu là Auguste Bazin. Trong hợp đồng có điều khoản: “Chính phủ bảo hộ ở Đông Dương trả công cho nhà thầu 60.000 đồng và sau khi công việc hoàn thành nhà thầu được hưởng 90 ha đất trong khu vực thành”.
Ngay sau khi hợp đồng ký kết báo Người Bắc kỳ độc lập (L’Indépendance Tonkinoise) viết: “Lý do phá thành không rõ ràng, không phải để lấy đất phát triển thành phố vì quỹ đất Hà Nội dồi dào, cũng không phải vì mục đích quân sự”. Vì thế người Pháp sống ở Hà Nội và những người Hà Nội theo sát thời cuộc cho rằng việc phá thành là cuộc làm ăn chia chác giữa nhóm người có quyền và một vài nhà tư bản.
Trong lần đánh thành Hà Nội lần thứ nhất, quân Pháp đã thu giữ được một lượng lớn bạc nén, tiền đồng và tiền kẽm nên một giả thuyết thứ hai đưa ra là phá thành để chiếm đoạt kho tiền mà các quan đã không kịp chôn giấu khi quân Pháp tấn công thành. Tuy nhiên, lý do chính thức đã được chính Toàn quyền Paul Doumer (1897 – 1902) công bố trong cuốn hồi ký Xứ Đông Pháp – Những kỷ niệm (L’Indochine Francaise – Souvenirs, xuất bản ở Paris năm 1905). Paul Doumer viết: “Người ta lấy lý do là những bức tường thành đã ngăn cản sự lưu thông của khí trời đến mức mà những người dân châu Âu cư trú trong đó phải chịu đựng sự ô nhiễm độc hại. Nếu đúng như vậy thì sự lo lắng đến sức khỏe con người đã vượt qua mọi thứ khác trong những xứ nhiệt đới nơi mà quá nhiều nguy hiểm đe dọa họ, vậy thì chúng ta cũng không nên tiếc hành động đã làm. Chỉ có điều buồn cho nghệ thuật và lịch sử là cổng thành không còn nữa. Tôi đã đến quá chậm trễ để có thể cứu vãn những bi thảm của tòa thành đó. Đặc biệt là những cửa thành, nó xứng đáng được bảo tồn. Chúng có những nét rất độc đáo, chúng gắn bó với những kỷ niệm lịch sử để có quyền buộc chúng ta phải tôn trọng. Chúng có thể tô điểm cho những khu phố mai sau của đô thị và có lẽ không làm vướng víu việc giao thông và ngăn trở việc sắp xếp thẳng hàng các đường phố. Cũng như Khải Hoàn Môn vẫn giữ lại để mọi sự cân đối cho Paris vậy”.
Sau khi Bazin ký kết với chính phủ Pháp việc phá tường thành Hà Nội, ông này tiến hành đấu thầu việc phá dỡ các bức tường. Nhờ tính toán thuê nhân công nông thôn với giá rẻ mạt nên cô Tư Hồng, một người đàn bà Việt, đã vượt qua nhiều nhà thầu lớn của Pháp và Trung Hoa để trúng thầu.
Cô Tư Hồng tên thật là Trần Thị Lan, sinh năm 1868, quê Hà Nam. Chồng đầu tiên của cô là người Việt. Sau khi bỏ chồng, cô ra Hải Phòng lấy một người Hoa tên là Hồng làm nghề buôn bán nên người ta gọi cô Hồng. Ông này làm ăn thua lỗ, nợ nần chồng chất phải trốn về nước. Cô lên Hà Nội bán gạo rồi lấy viên quan tư Pháp tên là Laglan.
Vì là vợ quan tư, ghép tên của chồng trước nên những người quen biết gọi là cô Tư Hồng. Rồi cô mở công ty cung cấp thực phẩm cho quân đội Pháp, công việc làm ăn phát đạt. Gạch đá khi phá thành cô cho chuyển về xây biệt thự ở ngõ Hội Vũ (nay vẫn còn). Cô là người Việt đầu tiên ở Hà Nội có điện thoại vào cuối thế kỷ 19. Chia tay với người chồng Pháp, cô sống một mình ở trang trại thuộc làng Bạch Mai (nay trong khu vực Đại học Bách khoa Hà Nội). Cái chết của cô vẫn còn là điều bí ẩn.