明治新政府は城内の敷地を陸軍用地に転用し、城内への民間人の立ち入りは禁じられた。東側の国鉄城東線（現在の大阪環状線）までの広大な敷地には兵器工場（大阪砲兵工廠）が設けられ、このため後の太平洋戦争時米軍の爆撃目標となる。
1870年（明治3年）、陸軍は午砲台を設置して報時業務を開始した。
1885年（明治18年）、和歌山城二の丸より御殿の一部が移築され、「紀州御殿」と命名される。1888年（明治21年）には、本丸桜門が復元された。
1928年（昭和3年）、当時の大阪市長關一は、天守の再建を提案し、集められた市民の募金150万円によって陸軍第四師団庁舎移転と天守建設がすすめられた。天守閣の基本設計は波江悌夫が行い、再建工事は1930年（昭和5年）に始まり、翌年に完成した。
太平洋戦争中の空襲では、1868年（慶応4年）の火災では被害を免た二番櫓・三番櫓・未申櫓・伏見櫓・京橋口門を焼失、また青屋門に甚大な被害を受けた。特に本土終戦前日の8月14日の空襲は、1トン爆弾が多数投下され、近隣の京橋駅も巻き添えとなり、避難していた乗客に多数の死傷者が出たほどだった。このとき毎日新聞大阪本社屋上から撮影された「天守閣の背景に黒煙が濛々と上がる」光景は、後に「大阪夏の陣」などとも呼ばれたが、天守閣は被害を免れた。
終戦後城内の陸軍用地は進駐軍に接収されたが、1947年（昭和22年）に米軍の失火により紀州御殿を焼失した。
1948年（昭和23年）の接収解除後は建物の修理が進められ、外堀を含む広域が大阪城公園として整備された。
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1950年（昭和25年）のジェーン台風によりまたもや損傷を受けたことから、本格的な補修事業が開始された。あわせて学術調査も行われ、1959年（昭和34年）には地下から豊臣時代の遺構が発見された。本丸内の陸軍師団司令部の旧施設は一時大阪府警本部の庁舎（後に市立博物館）として使用され、石垣に囲まれた一角では拳銃の射撃訓練も行われた（大阪府警の射撃場は公園内玉造口付近に現存）。工廠跡は、長らく放置され、残された大量の鉄や銅の屑を狙う「アパッチ族」が跳梁し小松左京や開高健の小説の舞台ともなった。
1983年（昭和58年） 「大阪築城400年まつり」に合わせ、国鉄大阪環状線に「大阪城公園駅」が新設され、大阪城ホールも開館された。残されていた工廠跡にも次々と大企業のビルが建ち並び、城の北東側に「大阪ビジネスパーク」が出現した。
復興天守は現在も健在であり、大阪市の象徴としてそびえ立ち、周囲には大阪城公園が整備されている。
2006年（平成18年）4月6日、日本100名城（54番）に選定され、2007年（平成19年）6月から全国規模の日本100名城スタンプラリーが開始された。
2007年（平成19年） 大阪城の不動産登記に関して、建物としては未登記であり、登記上の土地の所有者は旧陸軍省であるということが判明した。実務上は、建物の所有者は大阪市であり、土地は国からの借用であるということになっている。