Более быстрое развитие промышленности в городе связано со строительством Великой транссибирской железной дороги, которое велось с двух сторон: с запада - из Челябинска и с востока - из Владивостока в течение 14 лет, с 1891 года по 1905 год. Строительство же верхнеудинской части дороги (участок Мысовая-Верхнеудинск) было завершено в 1899 году. 15 августа 1899 года жители Верхнеудинска встречали первый железнодорожный поезд. Это было большое и радостное событие в жизни города. По этому случаю городская управа дала объявление, в котором «покорнейше просила» горожан «украсить свои дома днем флагами, а вечером иллюминировать».
На станции Верхнеудинск в 1900 г. было завершено строительство крупного паровозного депо. В связи с этим для обслуживания депо были направлены сотни квалифицированных рабочих почти со всех крупных железнодорожных станций России. Город стал основным железнодорожным узлом Западного Забайкалья. В «Путеводителе по Великой Сибирской железной дороге» Верхнеудинск получил следующую характеристику: «Ст. Верхнеудинск. IV класса. Вблизи окружной город Верхнеудинск, живописно расположенный в глубокой лощине отрогов Яблоневого хребта, при Уде и Селенге. Город правильно распланирован, с широкими улицами. Домов 901 (каменных до 40). ...Училищ 6: женская 4-классная прогимназия, мужское уездное училище, три городских приходских училища, церковно-приходская школа. Городская общественная библиотека. Здесь находятся: контора начальника IV участка управления по сооружению Забайкальской железной дороги, 1-я конная Забайкальская казачья батарея, местная команда, почтово-телеграфная контора со сберегательной кассой, управление Западно-Забайкальского горного округа, агентура Русско-Китайского банка. Ежегодно в январе открывается в городе ярмарка, Верхнеудинская, с оборотами до трех миллионов рублей. Близ города находятся заводы: водочный, пивоваренный, маслобойный, салотопенные и свечные (4), кожевенные (17), мыловаренные (3). Маслобойный завод Г. Федченко открыт в 1894 г. с паровыми двигателями; на нем при помощи орехо-лущильного аппарата (Грядасова) приготовляется масло из кедровых орехов. В 45 верст от города расположена паровая вальцевая мельница Голдобина, размалывающая в год до 125 тыс. пудов пшеницы. Гостиниц 2. Извозчики по таксе в конец 20 коп., за час 40-50 коп.»[17]. Кроме этих предприятий, в городе были две типографии (Кобылкина и Нодельмана), а на берегу Уды располагались 17 кузниц.
В 1904 г. в городе открылся первый вуз - Восточный институт, переведенный с началом русско-японской войны из Владивостока. Спустя три года институт был закрыт из-за участия студентов в революционных событиях 1905-1907 гг. В 1906 г. был построен деревянный 9-пролетный мост арочного типа через Уду. Проект моста бесплатно разработал инженер Ю.Н. Эбергардт. Мост безупречно прослужил более тридцати лет. В 1908 году заработала первая электростанция купца П.Н. Нестерова мощностью 120 киловатт.
В 1907 г. Верхнеудинск принимает участников автопробега Париж- Пекин. В 1908 г. компанией, громко именовавшейся «Первая Забайкальская осветительная в г. Верхнеудинске», построена небольшая электропаровая станция. В то время в Верхнеудинске работали 14 фабрик и 4 паровые мельницы.1-я городская телефонная станция заработала в 1912 году. В 1913 г. установлено первое в Сибири правильное автомобильное почтово-пассажирское сообщение на тракте Верхнеудинск-Троицкосавск. В 1916 году построено здание «Общественного собрания» - клуба для времяпровождения городской элиты.
К 1917 г. население Верхнеудинска выросло до 20 тысяч человек. Если вначале город был расположен на ровной площадке в устье Уды, по берегу Селенги и частично в нагорной стороне, то теперь возникли поселок железнодорожников в районе вокзала, поселки Нижняя Березовка и Верхняя Березовка. Появились жилые двухэтажные каменные дома на улицах Большой и Троицкой и первое трехэтажное здание на горе (ныне факультет иностранных языков БГУ).
Советское правительство, учитывая сложность международной и внутренней обстановки того времени и желая избежать войны с империалистической Японией, дали директиву временно воздержаться от советизации территории России к востоку от Байкала, образовав здесь «буферное» государство в виде Дальневосточной республики.
В истории образования Дальневосточной республики известную роль сыграл Верхнеудинск. В конце марта и начале апреля 1920 года в Верхнеудинске состоялся учредительный съезд трудящихся Прибайкалья. 6 апреля 1920 г. съезд обратился ко всем правительствам и народам мира с декларацией об образовании независимой демократической Дальневосточной республики, включающей Забайкальскую, Амурскую, Приморскую области, Сахалин и Камчатку, полосу отчуждения КВЖД. Съезд избрал временное правительство ДВР, которое вскоре было официально признано правительством РСФСР.
Первое время столицей новой республики был Верхнеудинск. Отсюда, из Верхнеудинска, в июне 1920 года, по указанию Советского правительства, была отправлена в Китай миссия Дальневосточной республики с целью завязать с ним экономические и дипломатические отношения, что в конечном итоге означало бы нормализацию отношений между РСФСР и Китаем, к чему стремилось Советское правительство. 21 октября 1920 г., в связи с освобождением Читы от семеновцев и интервентов, правительство ДВР из Верхнеудинска переехало в Читу. В апреле 1921 г. и январе 1922 г. были образованы две автономные области бурят: одна на территории ДВР, другая - Восточной Сибири РСФСР. 16 ноября 1922 г. Президиум ВЦИК постановил о вхождении ДВР в состав РСФСР. С воссоединением ДВР с Советской Россией встал вопрос об объединении двух бурятских автономных областей в одну Бурят-Монгольскую Автономную Советскую Социалистическую Республику. 30 мая 1923 г. Президиум ВЦИК принял постановление о создании Бурят-Монгольской Автономной Советской Социалистической Республики со столицей в городе Верхнеудинске.
В 1921 г. в здании бывшего Реального училища на общественных началах открыт Прибайкальский областной музей. Через два года он преобразован в Верхнеудинский краеведческий музей. 4 декабря 1923 г. Первый съезд Советов Бурятии законодательно закрепил образование Бурят-Монгольской Автономной Советской Социалистической Республики. В феврале 1924 г. - вышел «Бурят-Могольский комсомолец» (ныне газета «Молодежь Бурятии»). В 1926 г. установлено первое регулярное воздушное сообщение Верхнеудинск-Урга (Монголия). За год до этого в Верхнеудинске приземлился первый самолет. С 1927 г. начал свою профессиональную деятельность первый в г. Верхнеудинске стационарный театр.
В 1929 г. впервые в г. Верхнеудинске приступила к вещанию небольшая радиовещательная станция.
1932 г. - создан Государственный бурятский театр драмы им. Х. Намсараева.
В 1932-1935 гг. в Улан-Удэ были открыты два института - педагогический и агротехнический, техникумы, на базе комвуза создана высшая коммунистическая сельскохозяйственная школа, начал работать техникум искусств.
С 1932 г. началось широкое индустриальное развитие города. Тогда на городских окраинах - в тайге и на пустырях - развернулось крупное промышленное строительство. За короткий срок здесь выросли корпуса крупнейших на Востоке промышленных предприятий - паровозо-вагонного завода, теплоэлектроцентрали, механизированного стекольного завода, мясоконсервного комбината, мельничного комбината, кирпичного завода, лесозавода, сапоговаляльная фабрика, судостроительный завод.
27 июля 1934 г. постановлением Президиума ЦИК СССР Верхнеудинск переименован в г. Улан-Удэ (с бурятского «Красная Уда») - столицу Бурятии. В 1936 г. разработан первый официальный генеральный план советского Улан-Удэ. Вместо паромной переправы через р. Селенгу построен автомобильный мост. Во время сильного наводнения в 1937 г., снесшего 15 жилых домов, из-за образовавшегося затора взорван деревянный удинский мост. В 1940 г. в городе начал функционировать общественный транспорт — первые 19 автобусов обслуживали четыре маршрута общей протяженностью 29 километров.
В годы Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. многие предприятия Улан-Удэ и республики перешли на выпуск оборонной продукции.
По проекту Улан-Удэнской конторы «Сельэлектро» в 1945 г. началось сооружение водозащитной дамбы в нижней части города.
1946 г. - завершено строительство самого крупного в Улан-Удэ предприятия легкой промышленности - суконной фабрики. В городе открыт музей изобразительных искусств.
В 1948 г. в Железнодорожном районе города открылся стадион им. 25-летия Бурятской АССР, на 12 тысяч мест.
После первой декады бурятского искусства в Москве в 1940 г. было принято постановление о строительстве в городе Улан-Удэ театра оперы и балета. Но война задержала строительство. Открытие театра состоялось в 1952 году. Автор проекта - архитектор А. Федоров. Над центральным порталом установлена скульптурная группа «Всадники» с развернутым знаменем. Скульптор - А.И. Тимин. Во внешней и внутренней отделке театра использован национальный орнамент. С южной стороны - величественная колоннада придает ему легкость, воздушность, особую выразительность. В театре - круглый зрительный зал, фойе, просторные вестибюли, удобные переходы с этажа на этаж, цветные витражи на окнах, люстры, настенные бра, торшеры, партер, сцена, ложи, балконы выполнены в национальном cтиле. Огромный плафон, украшающий купол театра, был заказан преподавателям вузов Москвы профессорам Г. Рублеву, Б. Иорданскому и В. Бордиченко. Художники приезжали в Бурятию, ездили по улусам, делали зарисовки, присутствовали на народных праздниках. Роспись плафона велась в течение трех лет. Это картина народного торжества, торжества искусства. В фойе театра - барельеф, посвященный дружбе народов.