江戸城無血開城に伴い県域では、市川・船橋戦争と呼ばれる戦闘が生じたのみで戊辰戦争に巻き込まれずに明治を迎える。安房国、上総国と下総国の一部が現在の千葉県となる。1871年の廃藩置県によって、印旛県・木更津県・新治県を設置。1873年6月15日、印旛県と木更津県の合併により千葉県が誕生、県庁が千葉町（千葉市街地）に開設された。1875年5月7日に新治県の茨城県編入に伴い、千葉県であった結城郡・猿島郡・岡田郡・豊田郡4郡と葛飾・相馬両郡の一部を茨城県に譲渡して、香取郡・匝瑳郡・海上郡を旧新治県から編入した。更に1899年4月1日に香取郡の利根川以北が茨城県に編入されている。これにより、現在の県域がほぼ確定した。

明治初年の1869年には、明治政府によって、東京在住の旧士族出身者をはじめとする失業者の救済のために旧幕府牧の開墾事業が計画され、初富、二和、三咲、豊四季、五香、六実、七栄、八街、九美上、十倉、十余一、十余二、十余三などの村が新しく作られた。

また、東京に近かったことから、1873年（明治6年）に明治天皇が習志野原へ御幸以来、首都防衛を名目に習志野をはじめ、千葉、市川、柏、松戸、佐倉、四街道、茂原、木更津、富津、館山のような多くの軍事拠点（軍郷）が造られた。太平洋戦争の際には、風船爆弾によるアメリカ本土空襲の為の前線基地も置かれた。なお、県や各市町村もこのような軍事拠点を造ることが、重要な産業基盤につながると捉え、競って誘致を推進した。その中でも千葉市には、千葉連隊区司令官をはじめ、多くの軍学校や軍営施設が造られたことから軍都千葉と呼ばれた。

近代になると官主導のもと近代産業の育成が行われたが、千葉県では地下資源に恵まれなかったことから、近代工業が育たず、開発から大きく取り残される形となった。だが、江戸時代以降の醤油・みりんといった醸造業は近代に入っても発展を続け、1928年には戦前の労働争議でも最大規模の野田醤油労働争議が発生した。他の発達産業としては、従来の農業・水産・林業に加え、銚子の缶詰産業や旧幕府牧馬跡などを利用した酪農が有名である。1875年に旧佐倉牧の跡地（現・成田市）に下総牧羊場（後の宮内庁下総御料牧場）が設置されると、酪農に関する研究も盛んに行われ、県の主要産業の一つとなった。しかし、御料牧場は、1969年に新東京国際空港の建設計画に伴い、栃木県高根沢町に移転することになる。

1904年に勃発した日露戦争では、習志野騎兵連隊の活躍は有名で、沙河会戦、黒溝台会戦・奉天会戦などで騎兵戦術を駆使して活躍、秋山好古少将と共に千葉県の知名度を高めた。また、映画「戦場に架ける橋」のモデルとなった鉄道連隊もよく知られており、県内では現在の東武野田線、久留里線、小湊鉄道などのインフラ整備に貢献している。

大正・昭和初期にかけて鉄道をはじめとする交通機関が発達すると東京湾沿線沿いや銚子、一宮などの九十九里浜沿岸、南房総には、避暑地や観光地が整備された。また、谷津遊園、中山競馬場などの娯楽施設が造られ、観光産業<ref>安房地方の旅行案内書一覧</ref>が盛んとなった。

1941年（昭和16年）、太平洋戦争が始まると千葉県も重要な食料生産拠点として、食糧増産が各地でおこなわれ、肥料の不足や徴兵による人手不足の中で、厳しい供出割当が組まれた。大戦末期になると航空機燃料のための松根油の生産も北総地域を中心に盛んに行われた。一方、工業方面では、東京に近い市川市・船橋市・津田沼町、千葉市にかけて軍需工場が次々と移転、地域の中小企業も合併が進められ、その多くは、陸海軍関係の下請け工場として再編成された。1942年には、東京湾の埋め立工事が進められ、日立航空機千葉工場が建設された。さらに大戦末期には、大網・茂原・興津・鴨川などに大規模な地下工場も造られ、千葉県の工業化比率は大きく進んだ。新たに東京大学第2工学部(現在の東京大学生産技術研究所千葉実験所)が千葉市に新設されると造兵研究の拠点ともなった。

1944年（昭和19年）、サイパン島・グアム島・テニアンが占領され、日本本土への空襲が本格化すると、房総半島はB-29爆撃機の進入ルートとなり、現在の成田市から習志野市の上空では激しい航空戦がおこなわれるようになった。しかし県内の被害は軽微で、空母や硫黄島から飛来した航空機（F6Fヘルキャット・F4Uコルセア・P51ムスタングなど）が軍関係施設や港湾施設、工場や学校、集落に対して機銃掃射を加えたり、爆撃隊が帰還途中に不要爆弾破棄のため、投下するようなことはあったが、千葉空襲、銚子空襲以外に本格的な空襲が実施されることはなかった。

大戦末期になると本土決戦の可能性が高まり、連合国軍の上陸の可能性が最も高い場所として、日本軍と連合国軍両者<ref>『コロネット作戦（Operation Coronet）』を参照</ref>。とも同じく九十九里浜を挙げており、日本軍及び大政翼賛会は住民志願者を募り、国民義勇軍防衛隊を組織、竹槍による軍事教練や陣地構築が実施されたが、日本の降伏により県内では地上戦は行われずに終戦を迎えた。ちなみに、この時、東条英機首相にかわり、下総関宿藩士出身の鈴木貫太郎海軍大将が内閣を組織、終戦工作に奔走し、終戦内閣と呼ばれた。