民国时期，今玉溪市境内共设玉溪（新兴、休纳）、易门、华宁（宁县、黎县）、江川、澂江（河阳）、河西、通海、新平、元江、峨山（嶍峨）10个县。民国2年（1913），宁州改称宁县，新兴州改为新兴县，河阳县改为澂江县。新兴（玉溪）、易门、澂江（河阳）、江川县属滇中道；新平、元江县属滇南道（1914年更名为普洱道）；通海、河西、嶍峨（峨山）、宁县（华宁）属蒙自道。民国3年（1914）1月，新兴县改称休纳县，宁县改称黎县。民国5年（1916）11月，休纳县更名为玉溪县。民国18年（1929），裁道后各县直属省。民国19年（1930）1月，嶍峨县更名为峨山县。民国20年（1931）12月，黎县改称华宁县。民国31年（1942），元江、新平县属云南第三行政督察区（驻建水县）。民国37年（1948），华宁、江川、澂江县属云南第三行政督察区（驻弥勒县）；河西、通海县属云南第五行政督察区（驻建水县）；新平、元江、峨山县属云南第六行政督察区（驻新平县）；玉溪、易门县由省直辖。
1950年1月1日成立滇中专员公署，3月改称玉溪专区，专署驻玉溪县；辖玉溪（驻州城镇）、昆阳、晋宁、呈贡、澂江、江川（驻江城）、华宁、通海、河西、峨山、新平、易门等12县。1951年1月10日，政务院批准：撤销峨山县，设立峨山县彝族自治区（县级）（5月12日正式成立）；玉溪专区辖11县、1自治区。1954年7月20日，云南省人民政府报告备案：蒙自专区的元江县划归玉溪专区。1955年，澂江县更名为澄江县。1956年11月16日，国务院全体会议第40次会议决定：撤销河西、通海2个县，设置杞麓县；以原河西、通海2县的行政区域为杞麓县的行政区域，县人民委员会驻原通海县城；同年，峨山彝族自治区更名为峨山彝族自治县；江川县迁驻大街（宁海）；玉溪专区辖11县、1自治县。
1958年4月4日国务院全体会议第74次会议决定：撤销昆阳县，将原昆阳县的行政区域合并于晋宁县，晋宁县驻地迁至原昆阳县城昆阳镇；玉溪专区辖10县、1自治县。1960年1月4日国务院批准将杞麓县改名为通海县。1960年9月13日国务院全体会议第103次会议通过：撤销江川县，将原江川县的行政区域并归玉溪县（1958年10月1日撤并）；撤销呈贡县，将原呈贡县的行政区域并归晋宁县。1960年9月22日国务院批准：玉溪专区的晋宁县划归昆明市。1962年3月27日国务院全体会议第115次会议决定：恢复江川县（驻大街），以合并于玉溪县的原江川县行政区域为江川县的行政区域；玉溪专区辖8县、1自治县。
1970年玉溪专区改称玉溪地区，地区驻玉溪县。全地区辖玉溪（驻州城镇）、澄江、华宁、江川、通海、元江、新平、易门等8县及峨山彝族自治县。1979年12月26日，国务院批准：撤销元江县，设立元江哈尼族彝族傣族自治县（1980年11月22日正式成立）；撤销新平县，设立新平彝族傣族自治县（1980年11月25日成立）；玉溪地区辖6县、3自治县。1983年9月9日，国务院批复同意撤销玉溪县，设立玉溪市（县级），以玉溪县的行政区域为玉溪市的行政区域；玉溪地区辖1县级市、5县、3自治县。1984年，全地区辖1市8县，共设10个镇、77个区、627个乡。
1997年12月13日，国务院（国函[1997]108号）批复同意玉溪撤地设市：（1）撤销玉溪地区和县级玉溪市，设立地级玉溪市。市人民政府驻新设立的红塔区红塔路。（2）玉溪市设立红塔区，以原玉溪市的行政区域为红塔区的行政区域。区人民政府驻红塔路。（3）玉溪市辖原玉溪地区的华宁县、通海县、澄江县、江川县、易门县、新平彝族自治县、峨山彝族自治县、元江哈尼族彝族傣族自治县和新设的红塔区。全市总面积15285平方千米，总人口约188.5万人。1998年6月28日，地级玉溪市正式成立。
2000年第五次人口普查，玉溪市常住总人口2073005人，其中：红塔区409044人、江川县257078人、澄江县149748人、通海县275063人、华宁县196519人、易门县169581人、峨山彝族自治县151426人、新平彝族傣族自治县264615人、元江哈尼彝傣自治县199931人。
2000年末，全市辖红塔区和江川、澄江、通海、华宁、易门县以及峨山彝族自治县、新平彝族傣族自治县、元江哈尼族彝族傣族自治县等1区8县，共设80个乡镇，其中46个镇，3个城区街道办事处，21个乡，10个民族乡，有657个村（居）民委员会。总人口201.68万人，其中农业人口167.74万人，非农业人口33.94万人。全市少数民族人口63.9万人，占总人口31.69%，其中彝族395374人，哈尼族105325人，傣族69804人，回族37573人，白族10002人，蒙古族6670人，苗族6226人，拉祜族5375人，其他少数民族2682人。
2006年末，玉溪市辖1个区、5个县、3个自治县；3个街道、45个镇、17个乡、10个民族乡；50个居委会、617个村委会。
2010年第六次人口普查，玉溪市常住总人口2303518人，其中：红塔区495129人，江川县280889人，澄江县169366人，通海县300800人，华宁县214650人，易门县177110人，峨山彝族自治县162831人，新平彝族傣族自治县285344人，元江哈尼族彝族傣族自治县217399人。
2015年12月3日，国务院（国函[2015]208号）批复同意撤销江川县，设立玉溪市江川区，以原江川县的行政区域为江川区的行政区域，江川区人民政府驻大街街道宁海路34号。