Obwohl in und um Essen bereits seit dem 15. Jahrhundert Kohle gefördert wurde, im Deilbachtal ein kleines Zentrum der Eisenindustrie entstand und mit Franz Dinnendahl ein Pionier des Dampfmaschinenbaus in Essen tätig war, wurde die Stadt und das Umland erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts von der Industrialisierung erfasst. Sie beruhte auf drei von einander abhängigen, sich gegenseitig verstärkenden Entwicklungen: dem Aufschwung des Bergbaus nach der erfolgreichen Abteufung von Tiefbauschächten, dem Ausbau der Eisenbahn und dem Aufstieg der Kruppschen Gussstahlfabrik zum Weltkonzern.
Die Durchstoßung der stark Wasser führenden Mergeldecke auf den Zechen von Franz Haniel und Mathias Stinnes war eine Pionierleistung ersten Ranges, denn nun begann der Übergang zum Tiefbau, wodurch die für die Hüttenindustrie so wichtige Fettkohle erschlossen werden konnte. Zahlreiche Schachtanlagen entstanden in rascher Folge: 1840-60 wurden in und um Essen 15 neue Zechen abgeteuft und 16 Koksanstalten errichtet, womit die Stadt zum Zentrum des Ruhrbergbaus wurde.
Essen erhielt 1847 den ersten Bahnanschluss in Altenessen, der Hauptbahnhof wurde 1862 eröffnet. Mit dem Ausbau des Schienennetzes und der Vergrößerung des Eisenbahnbetriebs war der Aufstieg von Krupp zum Weltkonzern untrennbar verbunden. Alfred Krupp erfand nicht nur den nahtlosen Radkranz - seine wohl bedeutendste Erfindung –, sondern die Firma lieferte auch Schienen, Achsen und Federn für die Waggons. Technische Innovationen und die Herstellung von billigem Massenstahl dank des Bessemer-Verfahrens sowie die Rüstungsproduktion trugen zur Größe des Krupp-Konzerns bei, dessen Produktionsstätten ständig wuchsen.
Unter Oberbürgermeister Erich Zweigert (1886-1906) entwickelte sich die Industriestadt auch zum Wirtschafts- und Verwaltungsmittelpunkt des Ruhrgebiets. Traditionell hatten in Essen viele Bergbaugesellschaften und der 1858 gegründete Bergbau-Verein, die Organisation der rheinisch-westfälischen Zechenbesitzer, ihren Sitz. Neu hinzu kamen das Rheinisch-Westfälische Kohlen-Syndikat (1893) und der Zechenverband (1906), das Rheinisch-Westfälische Elektrizitätswerk - RWE (1898) und Ruhrgas (1926), so dass sich Essen zu Recht als die Stadt des Bergbaus bezeichnete. Ebenso wuchs das Bankenviertel. Auch die Wasserverbände, die Emschergenossenschaft, der Ruhrverband und der Ruhrtalsperrenverein, die Eisenbahndirektion oder der Ruhrsiedlungsverband errichteten ihre Verwaltungen in Essen.
Die verhängnisvolle Zeit des „Dritten Reichs“, in der sich die Stadt als „Waffenschmiede des Reiches“ feiern ließ, endete mit der fast völligen Zerstörung der Essener Innenstadt. Auch die Wirtschaftsstruktur änderte sich nach dem Zweiten Weltkrieg grundlegend. Krupp produzierte hier keinen Stahl mehr und verzichtete auf die Herstellung von Kriegsgütern, statt dessen betätigte sich der Konzern vor allem im Anlagenbau, bei der Produktion von Präzisionsteilen und bei der Metallveredelung. Mit der Fusion von Krupp und Thyssen im Jahre 1999 entstand das größte Stahl- und Technologieunternehmen in Deutschland, dessen Zentrale 2010 nach Essen verlegt wurde.
Der Bergbau geriet in den späten 1950er Jahren in die Krise, von der er sich nicht mehr erholen sollte. Als letzte hiesige Zeche stellte Zollverein am 23. Dezember 1986 ihre Förderung ein. Damit endete eine Tradition, die die Stadt lange entscheidend geprägt hatte.
Während die Schwerindustrie an Bedeutung verlor, nahm das Gewicht von Handel und Dienstleistungen hingegen zu. Doch der Prozess des Strukturwandels hin zu einer modernen Verwaltungsstadt und zu einem Dienstleistungszentrum ist noch nicht abgeschlossen und wird weiter zielbewusst gefördert.