Među svim gradovima na tom području, Istanbul je bio jedinstvena nagrada koju su željele sve veće države i carstva u blizini, kako zbog svoje ljepote tako i zbog svoje strateške važnosti. Osmanski sultani Yıldırım Bayezid i Murat II opkolili su grad 1393. odnosno 1422. godine, ali ga nijedan od njih nije uspio zauzeti. Nakon ovih neuspješnih pokušaja, Fatih Sultan Mehmed započeo je temeljitije pripreme za osvajanje grada 1452. godine. Osim izgradnje tvrđave Rumeli kako bi preuzeo kontrolu nad Bosforom, on je također naručio izlijevanje divovskih topovskih kugli koje će se koristiti u opsada. Broj vojnika u vojsci povećan je dvostruko. Dok je vršio te brze pripreme za napad s kopna, Mehmed je također naredio formiranje snažne flote od šesnaest galija koje će se koristiti u pomorskom napadu na grad.

Nakon što su preuzeli kontrolu nad svim putevima kojima bi Bizant mogao dobiti inozemnu potporu, Osmanlije su se pobrinuli da Genovežani, koji su kontrolirali kulu Galata, ostanu neutralni. Nakon svih ovih priprema, osmanska je vojska krenula u strahovit napad s kopna i s mora. Turci su sa svih strana probili grad i uništili svu bizantsku obranu. Oko podneva 29. maja 1453. godine, Fatih Sultan Mehmed je ušao u grad kroz Topkapı kapiju i odmah posjetio Ayasofyu. Osvajanje Istanbula promijenilo je svjetsku povijest. Red je vraćen u Istanbul brzo nakon osvajanja. Odmah je objavljeno da će stanovnici grada moći nastaviti prakticirati vlastitu vjeru i tradiciju bez ometanja. Sultan Mehmed, koji je nakon osvajanja uzeo titulu “Osvajač” (Fatih), naredio je da grčka zajednica izabere poglavara za pravoslavnu grčku patrijaršiju, koja je u to vrijeme bila bez patrijarha. Gradska židovska zajednica, čije je pozitivno ponašanje tijekom osvajanja bilo zapaženo, zadržala je pravo održavanja svojih sinagoga.

Nadalje, postavljena je bogomolja za tursko-židovsku karajimsku zajednicu na mjestu Arpacılar džamije. Istanbul je postao svjetski grad, sadržavajući mozaik različitih religija. Prva akcija Fatiha Sultana Mehmeda nakon rata bila je početak popravka oštećenih područja u gradu. Prvi veliki pokušaj obnove uključivao je popravak gradskih zidina, koje su bile ozbiljno oštećene tijekom osvajanja. Nastavkom radova na obnovi grada formirano je i nekoliko novih naselja. Nadalje, imovina koja je bila napuštena davana je onima koji su služili u osvajanju.

Kako bi se povećala muslimanska populacija u gradu, muslimani koji su živjeli u Anadoliji i Rumeliji bili su ohrabreni da migriraju u Istanbul. Kad to nije bilo dovoljno, provincijama Carstva poslan je sultanov dekret koji je zahtijevao da se određeni broj ljudi iz svakog staleža preseli u Istanbul. Kršćani i Židovi iz niza različitih regija također su dovedeni u grad, gdje su se naselili u nekoliko specifičnih četvrti. Potkraj 1457. veliki požar u bivšoj osmanskoj prijestolnici Edirne izazvao je dolazak novih migranata u Istanbul. Godine 1459. grad je podijeljen u četiri upravna okruga, od kojih je svaki imao jedinstvene demografske značajke. U roku od pedeset godina nakon osvajanja, Istanbul je postao najveći grad u Europi. Iako je Istanbul ušao u petnaesto stoljeće kao veliki grad, pretrpio je značajna oštećenja u potresu 14. srpnja 1509. godine, koji je poznat kao “Mali sudnji dan”. Naknadni udari potresa trajali su četrdeset i pet dana, a ukupno su se srušile tisuće zgrada u gradu. Godine 1510. sultan Bajezid Drugi zaposlio je oko osamdeset tisuća ljudi da ponovno izgrade grad.

Uspon Istanbula za vrijeme vladavine Süleymana Zakonodavca

Kroz povijest Osmanskog Carstva i pod upravom svakog sultana, Istanbul je ostao privilegirani prvi grad Carstva. Gradu su se neprestano dodavala nova djela i spomenici, a povijesni spomenici svakog razdoblja i ljudi brižno su se štitili. Konkretno, razdoblje od četrdeset i šest godina između 1520. i 1566., kada je sultan Süleyman Zakonodavac svjedočio "eri uspona" za Istanbul i carstvo u cjelini.

Za vrijeme Süleymanove vladavine u Istanbulu je izgrađen veliki broj važnih arhitektonskih djela. Konkretno, djela arhitekta Sinana, najvažnijeg arhitekta u povijesti Carstva, dala su gradu fantastičan novi izgled. Među najvažnijim djelima koja su izgrađena u ovom periodu—gotovo sve su građevine Mimara Sinana—su Süleymaniye džamija i kupola, Şehzadebaşı džamija i kupola, Sultan Selimova džamija i kupola, Džihangir džamija, dvije Mihrimah Sultan džamije, izgrađen u Edirnekapı iu Üsküdaru, te Haseki Dome i Haseki Hamam, koji su izgrađeni u ime Hürrem Sultan. Tijekom ere vesternizacije, koja je započela u osamnaestom stoljeću, lice Istanbula počelo se mijenjati pod utjecajem europskih gradova. Proces modernizacije nastavio se i čak pojačao u republikanskom razdoblju.

Kada je prijestolnica Osmanskog Carstva prebačena iz Edirna u Istanbul, grad je po treći put postao carska prijestolnica.