Vojska pod vođstvom Sulejmana Veličanstvenog, 28. avgusta 1521. je osvojila Beograd, što je označilo pad grada pod Otomansko carstvo. Beograd je srušen i spaljen, a put Turcima ka Zapadnoj Evropi otvoren. Sledećih 150 godina grad je bio veoma miran, a bio je i sedište okruga (sandžaka). Privukao je mnoge trgovce i stanovnike — Turke, Jermene, Grke Rome i ostale. Pretpostavlja se da je broj stanovnika u gradu bio oko 100.000 u 17. veku. Postao je više od običnog grada, sa osmanskom arhitekturom i mnogim novim džamijama. Zahvatila ga je velika srpska pobuna 1594. (Banatska pobuna) koju su Turci uspeli da uguše, spaljene su mnoge crkve, relikvije i mošti Svetog Save na Vračaru. Upravo zvog toga je ovo mesto odabrano za gradnju Hrama Svetog Save.
Tri puta ga je od Turaka oslobađala Austrija (1688—1690, 1717—1739, 1789—1791), ali su ga Osmanlije ponovo zauzimale i bitno razarale. Tokom ovog perioda, grad su zahvatile dve velike seobe Srba, u kojima su se stotine hiljada Srba, predvođenih patrijarsima, povlačili zajedno sa Austrijancima u Habzburško carstvo 1690. i 1737—39, gde su se naselili u današnjoj Vojvodini i Slavoniji. Tokom Prvog srpskog ustanka ustanici su držali grad od 8. januara 1806. do 1813, kada su ga ponovo preotele Osmanlije.1817. postaje prestonica Kneževine Srbije (sem u periodu od 1818—1841, kada je Kragujevac bio glavni grad).