Nach der Eroberung Braunschweigs 1671 entzog der Landesherr der Stadt ihr gesamtes Vermögen, zwang sie zur Aufnahme einer 5.000 Mann starken Garnison und forderte monatliche Kontingentzahlungen und Naturallieferungen. Die alte Ratsverfassung wurde aufgehoben und der neue Rat mit herzogstreuen Vertretern besetzt. Die eigentliche Macht lag jedoch bei der Fürstlichen Stadtkommission. 1731 übernahm die von Wolfenbüttel nach Braunschweig verlegte Fürstliche Kammer die Verwaltung der Stadt.

Die endgültige Umsiedelung des herzoglichen Hofes nach Braunschweig in den Jahren 1753/54 machte die alte Bürger- und Hansestadt vollends zur Residenz- und Beamtenstadt. Dementsprechend repräsentativ gestalteten sich die Baumaßnahmen während der Zeit Herzog Karls I. (reg. 1735-1780) Neben dem Umbau des Grauen Hofes zum Residenzschloss wurde der südliche Teil der Burg Dankwarderode zwischen 1763 und 1765 zum Ferdinandbau umgestaltet. Neue Ein- und Ausfallstraßen in Form von Alleen wurden angelegt und die innerstädtischen Straßen gepflastert.

Unter dem aufgeklärten Landesherrn wurden bedeutende Bildungsinstitutionen und soziale Einrichtungen ins Leben gerufen. Das Theater am Hagenmarkt als Vorläufer des heutigen, 1861 am Steinweg eröffneten Staatstheaters erlebte 1772 die Welturaufführung von Lessings „Emilia Galotti“. Im Großen Mosthaus der Burg wurde ein Kunst- und Naturalienkabinett eingerichtet, das 1887 im Herzog Anton Ulrich-Museum am Steinweg aufging. Mit dem 1745 gegründeten Collegium Carolinum unternahm man den Versuch, verschiedene Bildungsansätze einer höheren Schule mit universitären Strukturen und beruflich-praktischen Lehrinhalten zu verbinden. Auf seiner Grundlage entstand 1877 die Technische Hochschule, Vorläufer der heutigen Technischen Universität.

Aus fiskalischen Gründen - zur Finanzierung der Reformmaßnahmen - privilegierten die herzoglichen Landesherren vor allem das Manufakturwesen. Das „Braunschweig Grün“ der Farbenfabrik Gravenhorst hat hier ebenso seinen Ursprung wie die Stobwassersche Zichorien-, Tabak- und Lackwarenfabrik. Konkurrenz erfuhr das Manufakturwesen durch die bereits 1681 neu begründete Braunschweiger Messe, die zeitweise in einem Atemzug mit den Messen in Leipzig und Frankfurt genannt wurde.

Die Gedanken der Spätaufklärung trugen auch unter Herzog Karl Wilhelm Ferdinand (1780-1806) weiter Früchte. Der Sohn und Nachfolger von Karl I. holte die Verleger Joachim Heinrich Campe und Friedrich Vieweg nach Braunschweig und förderte den Mathematiker Karl Friedrich Gauß sowie den Komponisten Louis Spohr. Damit schuf er die Grundlagen, dass die Stadt im folgenden Jahrhundert zu einem Zentrum des Verlagswesens und der spätphilanthropischen Bewegung wurde. Auch die Daseinsfürsorge für die Untertanen gewann an Bedeutung. Die Neuordnung der Armenanstalten in den Jahren 1745 und 1805 sowie die Einrichtung einer Leihhausanstalt (Vorläufer der Nord/LB) im Jahre 1765 seien hier exemplarisch genannt.

Nach der Niederlage der preußisch-sächsischen Truppen in der Schlacht von Jena und Auerstädt im Jahre 1806, bei der auch Herzog Karl Wilhelm Ferdinand tödlich verwundet wurde, stand Braunschweig bis 1813 unter französischer Vorherrschaft und gehörte dem Königreich Westphalen an. Während moderne Justiz und straffe Verwaltung dem patriarchalischen Herkommen vor 1806 überlegen waren, zeigte sich mit dem Zwangssystem, einer enormen Steuerlast, den Einquartierungen und der Kontinentalsperre bald die Kehrseite der französischen Besatzung. Für den Befreiungskampf im Jahre 1809 steht vor allem der Zug des Herzogs Friedrich Wilhelm, des jüngsten Sohnes Karl Wilhelm Ferdinands, mit seinem Freicorps, der „schwarzen Schar“, von Böhmen zur Nordsee. Für seine militärischen Erfolge in der Schlacht bei Ölper 1809 und seinen Einsatz beim Feldzug gegen Napoleon, bei dem er am 16. Juni 1815 bei Quatre Bras den Tod fand, wurde ihm auf dem Löwenwall ein Denkmal in Form einer Säule gesetzt, die auch dem Andenken Herzog Karl Wilhelm Ferdinands gewidmet ist.

1825 wurde der bisher wegen seiner Hauptaufgaben „Stadtgericht“ genannte Magistrat zu einer ausschließlichen Justizbehörde, indem drei herzogliche Stadtgerichte geschaffen wurden. Den neuen „Magistrat“ bildete eine kollegiale, reine Verwaltungsbehörde unter der Aufsicht der Fürstlichen Kammer, neben der 24 Stadtdeputierte mit der Sanierung der städtischen Finanzen beschäftigt waren. Diese Ansätze einer kommunalen Selbstverwaltung wurden mit der Allgemeinen Städteordnung des Herzogtums 1834 vollendet. Unter Stadtdirektor Wilhelm Bode (1825-1848) und Oberbürgermeister Heinrich Caspari (1848-1880) wurden der Stadt jährlich gewisse Einnahmen aus den ehemals (vor 1671) städtischen Kämmereigütern gezahlt. Mit dem bereits um 1800 vollzogenen Abbruch der alten Festungsanlagen und ihrer Umwandlung in Parkanlagen, Promenaden, Plätze und Torhäuser nach Plänen von Peter Joseph Krahe wurden die Grundlagen für die Ausdehnung der Stadt über den Okerumflutgraben gelegt.

Nachdem Karl II. 1830 durch einen Volksaufstand vertrieben worden war, regierte Herzog Wilhelm (1831-1884) mit Sparsamkeit und klugen Verwaltungsreformen. Durch seine Umsicht verlief die Revolution von 1848 in Braunschweig weitestgehend unblutig. Höhepunkt seiner Regierungszeit war 1881 das Fest zu seinem 50-jährigen Thronjubiläum, bei dem die Stadt zum Schauplatz einer der größten Huldigungsfeiern der Stadtgeschichte wurde.

Nach dem erbenlosen Tod des Herzogs ernannte im Jahre 1885 ein Regentschaftsrat den Prinzen Albrecht von Preußen zum Nachfolger. Auf seine Initiative gehen die Restaurierung der Burg Dankwarderode, die Anlage eines nach ihm benannten Parks am östlichen Stadtrand und die Errichtung eines Vaterländischen Museums, dem heutigen Braunschweigischen Landesmuseum, zurück. Auch die Ernennung des Schriftstellers Wilhelm Raabe zum Ehrenbürger der Stadt fällt in seine Regierungszeit. Mit Johann Albrecht, Herzog von Mecklenburg-Schwerin, regierte ab 1907 noch einmal ein Regent, der das Stadtbild unter anderem durch die Umwandlung des Franzschen Feldes in eine Spiel- und Sportanlage prägte.

>Nach seiner populären Hochzeit mit der Kaisertochter Viktoria Luise und dem spektakulären Einzug in die Hauptstadt übernahm mit Herzog Ernst August im Jahre 1913 wieder ein Welfe die Landesherrschaft. Politisch wirkte sich seine Regierungszeit nicht mehr aus. Im Laufe der revolutionären Ereignisse verzichtete er am 8. November 1918 auf den Thron. Damit endete die Zeit Braunschweigs als herzogliche Residenzstadt.