Jusqu’à la Première Guerre mondiale, la ville connaît divers événements qui vont transformer le paysage urbain, principalement après 1871.
Tout d’abord, l’arrivée du chemin de fer. Le développement de la ville se fait en direction de l’ouest avec la construction de la gare, achevée en 1858, et l’extension des faubourgs (de Montbéliard, de Lyon, de Paris…).
En plus d’être un centre de voies routières depuis le XVIIIe siècle, Belfort devient au XIXe siècle un carrefour ferroviaire.
Mais le fait le plus impactant pour l’évolution urbaine est sans conteste l’afflux d’Alsaciens après 1870-1871 et l’implantation d’industries dans les années suivantes. En effet, suite au conflit franco-prussien de 1870-1871 et l’annexion de l’Alsace et de la Lorraine, le traité de Francfort du 10 mai 1871 offre, aux personnes vivant en terres annexées, la possibilité de rester françaises à condition d’opter pour cette nationalité avant le 1er octobre 1872 et d’élire domicile en France. 10 000 Alsaciens seraient venus s’installer à Belfort et aux alentours. De 1872 à 1901, la population passe de 8 000 à plus de 32 000 habitants, soit une augmentation de 400 %.
De même, des entreprises alsaciennes, telles que la S.A.C.M. (Société Alsacienne de Constructions Mécaniques), aujourd’hui Alstom, D.M.C. (Dollfus Mieg et Compagnie), ouvrent des succursales à Belfort et dans les communes voisines pour ne pas payer de droits de douane et conserver leurs marchés avec la France.
Ainsi, sans aucune planification urbaine vu la rapidité et l’ampleur du boom démographique, un développement spectaculaire de la ville s’opère, tout d’abord vers l’ouest, puis vers le nord, lieu d’implantation des industries. Des cités ouvrières sont construites, à l’initiative des industriels, et de nouveaux quartiers sortent de terre, comme le faubourg des Vosges, dénommé « faubourg des coups de trique ».
Par ailleurs, le dérasement (destruction) du front de la Porte de France, démolie en 1892, modifie également le paysage urbain. En effet, la ville intra-muros étouffe dans ses remparts, tandis que la ville extra-muros poursuit sa croissance effrénée. Dès lors, la création du quartier Carnot, « Quartier Neuf », s’impose pour les relier. Contrairement à l’essor désordonné de la ville industrielle, la construction de ce quartier à la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle, destiné à accueillir un habitat bourgeois, des commerces et des administrations, est rigoureusement réfléchie.
Au cours du XIXe siècle et au début du XXe siècle, la ville s’étend donc considérablement en dehors de l’enceinte de Vauban. Elle renforce son rôle de carrefour de voies de communication et ses fonctions administrative (en accueillant les institutions de l’ancien département du Haut-Rhin), commerciale et, élément nouveau, industrielle. Avec le dérasement du front de la Porte de France, puis la construction du quartier Carnot, ne coexistent désormais plus une ville intra-muros et une ville extra-muros, mais une seule entité, avec toutefois beaucoup de diversités.