昭和11年（1936）６月に陸軍士官学校の移転に伴う用地買収の話が持ち上がり、10月に起工式が行われ、翌12年（1937）９月末に移転が完了します。この士官学校を皮切りに、昭和13年（1938）３月に臨時東京第三陸軍病院（現在の国立病院機構相模原病院）が大野村に開院し、同年８月には陸軍造兵廠東京工廠相模兵器製造所（後、相模陸軍造兵廠）が開所され、同年10月に陸軍工科学校（後、陸軍兵器学校）が開校します。昭和14年（1939）１月に陸軍電信第一連隊が大野村に移転し、同年５月に陸軍通信学校が移転し、翌15年（1940）３月に原町田陸軍病院（後、相模原陸軍病院）が開院します。昭和17年（1942）に陸軍機甲整備学校が移転し、８施設の建設が完了します。
その後、敗戦とともに、陸軍施設の大半は米軍に接収されました。

昭和16年（1941）の相模原町誕生の際に、合併と同時に市制施行したいと地元側は希望したものの、時期尚早として見送られます。昭和22年（1947）１月に就任した小林與次右エ門町長は、軍都から工都へと転換することが相模原の発展につながると考え、早くから市制を目標に掲げ、工場の招致を模索していました。
昭和26年（1951）４月の町長選挙で、小林町長を破って当選した清水睦町長は、健全財政を旨とし、市制施行には消極的でした。しかし、町議会最大会派の月曜会が市制促進案を示し、市制施行に目的を絞った「都市計画審議会」を昭和27年（1952）９月に設置するなど、町長を議員側が引っ張っていく形になっていきます。昭和28年（1953）10月には役場庁舎設置が議決され、翌29年（1954）４月に完成します。昭和29年２月、町政調査会が設置され、その中に市制研究部会が新設され、その調査結果に基づき、６月の議会全員協議会の中で、11月に市制を施行することを決めます。一方、清水町長は、市制の早期実現には懐疑的で、市制問題に関する「町民の集い」を各地区で実施し、町民の意向把握に努めています。不信任案の強硬論を唱える議員も出る中、河津勝総務課長の態度決定の進言により清水町長は市制施行を決断したといいます。８月30日に市制施行に関する申請書が議決され、11月20日、相模原市が誕生しました。

相模原市は昭和29年（1954）の市制施行を機に、農業中心のまちから工業都市を目指します。
昭和30年（1955）には「工場誘致条例」を制定し、工業都市への基盤づくりを着実に進めました。
昭和31年（1956）8月には工場誘致第１号としてカルピス食品工業の淵野辺への誘致が決定します。その後、大東レース、別子建設、小田急車両工場などの進出が決まり、誘致は着実に進んでいきます。
そして、昭和33年（1958）には首都圏整備法に基づく「市街地開発区域」の第１号指定を受け、工業・住宅都市づくりを推進。大山工業団地など、県北の内陸工業都市として一躍注目を集めるようになりました。
住宅都市づくりの面では、南部の小田急沿線で団地建設等による住宅都市化が急速に進みます。当初は、日本住宅公団（現、独立行政法人都市再生機構）が中心となって進められ、昭和34年（1959）から41年（1966）にかけて、相模大野・鶴ケ丘・上鶴間・上原・相模台の各公団住宅が相次いで完成します。さらに、神奈川県住宅供給公社による相武台団地も昭和43年（1968）に完成します。東京のベッドタウンとしての団地建設ですが、その波は横浜線沿線にも押し寄せています。

相模原市の人口は、昭和40年（1965）には15万人へ、42年（1967）から48年（1973）までは毎年２万人以上増加するなど、全国でもまれに見る人口急増都市でした。
この人口急増は都市づくりに大きなひずみをもたらし、子どもの急増に小・中学校の建設が追い付かないという事態を生み出しました。マンモス校の解消に、毎年４～６校の小・中学校建設に全力を挙げました。
学校建設については、昭和49年（1974）10月の市議会に議員提案の議案で、「人口急増過密都市対策の改善に関する要望・決議」が提案され、可決、要望書を内閣宛に提出しています。
昭和50年（1975）３月には「こども急増びんぼうはくしょ」と題された『相模原市財政白書　人口急増問題特集』を刊行し、財政のひっ迫した様子を訴えています。
また、昭和40年代は米軍基地問題に大きな動きがあった時代でもありました。

相模原市には、戦前に８つの陸軍施設が存在しましたが、それらの施設は戦後、附属の民間工場等を含めて連合軍（米軍）により接収されました。
昭和42年（1967）キャンプ淵野辺電波障害制限地区指定問題で、反対実行委員会が結成され、組織的な基地返還運動の発端となります。その後、昭和44年（1969）7月に座間小銃射撃場が全面返還され、さらに、国内における米軍基地の返還・集約・移転などが現実的になると、昭和46年（1971）６月11日に相模原市米軍基地返還促進市民協議会が結成され、７月10日に市民総決起集会を開催、市長を先頭にデモ行進し、市・市議会と市民が一体となって米軍基地の全面返還を求める運動が開始されました。
こうした中、ベトナム戦争に関連し、相模補給廠で修理した戦車がベトナムに輸送されていることが明らかになり、昭和47年（1972）８月に戦車の輸送を阻止しようとする人々が西門前に集まってテント村を作り、連日抗議行動を続けました（「戦車闘争」）。米軍・警察と相模原市の三者協議の結果、９月14日に市長が通行を許可、19日には兵員輸送車の搬出が行われ、テント村も機動隊により撤去されました。
このような運動が積み重なり、昭和49年（1974）11月にキャンプ淵野辺が、昭和56年（1981）４月には米軍医療センターの全面返還が実現しました。

工業団地及び住宅団地の建設からもたらされる結果として、相模原市は人口急増に見舞われ、都市基盤整備と学校建設に追われます。
昭和50年代は、40年代からスタートした公共下水道の整備事業が本格化し、浸水被害を防ぐための下水路・排水路整備などが急ピッチで進められました。
昭和55年（1980）には南清掃工場を建設し、増え続けていたごみを市内ですべて処理することができるようになりました。
同時に、鉄道や道路など交通網の整備も進み、横浜線の複線化も昭和55年に実現、生活・都市基盤づくりは急速に進みました。

昭和61年（1986）には「第３次相模原市総合計画」がスタート、ＪＲ横浜線相模原駅と橋本駅、小田急線相模大野の３つのエリアを拠点と位置付け、再開発事業をはじめ、それぞれに個性あふれるまちづくり事業を推進します。
国内外の都市とさまざまな交流を深めたのも60年代から。友好都市や銀河連邦建国に取り組みました。
友好都市は、昭和60年（1985）10月に中国無錫市と提携を結び、平成３年（1991）５月、カナダスカボロー市（現、トロント市）と提携を結んでいます。
銀河連邦は、昭和62年（1987）11月８日に相模原市の呼びかけにより建国されました。宇宙科学研究所（ISAS、現JAXA:宇宙航空研究開発機構）の移転を機に、ISASの研究・観測施設が置かれている自治体との交流を計画したことによります。発足当時は２市３町でしたが、現在は５市２町になっています。銀河連邦サミット・フォーラム、子ども留学交流、スポーツ交流、経済交流などが各共和国間で活発に行われています。

相模原市は急速に人口が増加し、昭和56年（1981）には人口50万人を突破しました。こうした中、国において規模能力が比較的大きな都市の事務権限を強化し、できる限り身近で行政を行うことができるよう、平成６年（1994）に地方自治法を改正し、中核市制度を創設しました。
制度創設時には中核市の要件を満たしていませんでしたが、平成14年（2002）３月に地方自治法が改正され、人口50万人以上の都市においては面積に関する要件が廃止されたことを受け、直ちに市では、市議会及び県議会の承認を経て、同年８月に総務大臣に対し中核市指定の申し出を行い、同年11月に政令が公布、平成15年（2003）４月から中核市に移行しました。

平成14年（2002）10月、津久井郡４町における住民アンケートが実施され、平成15年（2003）1月、公益社団法人津久井青年会議所が中心にとなり、住民発議による津久井郡４町による法定合併協議会の設置を求める署名運動が実施されました。
このような情勢の中で、同年７月に津久井郡４町長は、相模原市に合併協議を申し入れました。　その後、同年12月に藤野町が任意合併協議会への不参加を表明、城山町も合併への慎重姿勢を見せたため、津久井・相模湖両町は、相模原市との「飛び地合併」を目指すこととなり、平成18年（2006）３月20日に津久井町・相模湖町は相模原市と合併しました。
藤野町では、平成16年（2004）６月に実施した住民投票の結果、合併賛成が多数となり、その結果に基づき、同年８月に相模原市に合併協議を申し入れ、城山町も合併推進を求める住民による町長の解職請求（リコール）、合併に関する住民投票等を経て、再び合併協議を再開、藤野町と城山町は平成19年（2007）3月11日に相模原市と合併し、紆余曲折を経た津久井郡４町と相模原市との合併が完結しました。

平成19年（2007）１月、市長が市議会３月定例会の施政方針演説で、「平成22年３月末までの政令指定都市移行」を目指し、同年４月１日付で「政令指定都市推進課」を新設すると正式に表明しました。同年５月には総務大臣に政令指定都市移行に関する理解と指導を求めるとともに、神奈川県知事に対し、政令指定都市移行への支援を正式に文書で要請、「第１回神奈川県・相模原市政令指定都市移行連絡会議」を開催します。同年８月には産業経済団体をはじめ、教育・文化、保健・医療、福祉、労働など各分野からの民間団体を母体として「相模原市政令指定都市推進市民協議会」を設立しました。
平成21年（2009）７月３日、相模原市と総務省との事前協議が整ったため、知事が相模原市の政令指定都市移行実現を求める要望書を総務大臣宛に提出、同年10月の定例閣議で相模原市を政令指定都市に移行させる閣議決定が行われ、平成22年（2010）４月１日から国内19番目の政令指定都市へ移行しました。
現在、政令指定都市移行から14年が経過し、「特別市」など新たな大都市制度を目指した取り組みが進むとともに、まちづくりの面ではリニア中央新幹線神奈川県駅（仮称）を中心としたまちづくりの検討が進むなど、相模原市は首都圏における新たな役割を担う都市として、未来を見据えたまちづくりを進めていきます。
そして令和6年（2024）、相模原市はついに市制70周年を迎えました。これからも、相模原市は成長を続けていきます。