Schon seit 1891 verhandelte die Stadt mit dem Reich über den Ankauf der Festungsumwallung, die inzwischen militärisch bedeutungslos geworden war, aber die Entwicklungsmöglichkeiten Ulms stark behinderte. Für 4,5 Millionen Mark kamen durch den Vertrag vom Dezember 1899/Februar 1900 die ca. 70 ha umfassenden Wälle und Gräben im Osten und Westen in den Besitz der Stadt. Gleichzeitig wurden für diesen Bereich die Rayonbestimmungen der Bundes- bzw. Reichsfestung aufgehoben. Kurze Zeit später wurden die Wälle und Gräben durchbrochen, abgetragen oder aufgefüllt, so dass sich die Stadt nun ungehindert weiter nach Westen in das Blautal ausdehnen konnte.

Nach der Entfestigung entwickelten sich allmählich außerhalb der mittelalterlichen Mauern neue und nicht zuletzt auch von gewerblichen und militärischen Bauten geprägte Stadtviertel. Der alte Stadtkern blieb jedoch im Wesentlichen unangetastet. Planmäßiger als bei der Anlage der nördlichen Neustadt wurden in der nach 1900 entstehenden Weststadt jetzt Straßen, Wohn- und Industriegebiete ausgewiesen und einander zugeordnet. Es siedelten sich bedeutende Industriefirmen an: Magirus erwarb 1913 ein umfangreiches Gelände an der Blaubeurer Straße, auf dem die Werke II und III entstanden. Weitere Firmen waren u.a. die Eisengießerei Hopff, die Wagenfabrik Mattes & Würtz, die später von Kässbohrer übernommen wurde, die Turmuhrenfabrik Hörz (1862 gegründet, seit 1905 in der Weststadt) und die Ulmer Brauereigesellschaft (später Ulmer Münster-Brauerei). Das neue Industriegebiet wurde durch ein Industriegleis, das sogenannte Westgleis, erschlossen. Der innerhalb des Festungsrings beim Gaswerk gelegene Güterbahnhof wurde an die Blaubeurer Straße verlegt und erweitert.

Im Zuge des Wohnungsbaus wurden bis 1914 jährlich um 290 Wohnungen geschaffen; die Zahl ging dann aber kriegsbedingt stark zurück. Ab 1919 suchte man dem großen Nachholbedarf durch intensive Anstrengungen zu begegnen, erreichte das Vorkriegsniveau jedoch erst 1926/27. Dazu verhalf zunächst die Eingemeindung von Söflingen mit Harthausen 1905, die die Voraussetzung für eine großräumige Planung schuf. Für eine besonders rationelle Bauweise boten sich 3-4 stöckige Gruppen- und Reihenhäuser an, wie z.B. bei der neuen Donaubrücke (heute Gänstorbrücke) und entlang der als Verbindungsachsen nach Söflingen gebauten Wagner- und Söflinger Straße. Als Wohngebiete wurden der Galgen-, Kuh- und Michelsberg und Teile der Weststadt ausgewiesen bzw. weiter bebaut, während im Osten nur der Safranberg für die Wohnbebauung zur Verfügung stand. In der Weststadt entstanden Arbeitersiedlungen wie z.B. „Beim Kessel“ (1903-1913), am Unteren Kuhberg (1906-1913), das von der Oberpostdirektion für untere Postbeamte an der Wörth-Straße gebaute Postdörfle (1907-1912) sowie verschiedene Genossenschaftswohnanlagen. Weitere Ausdehnungsmöglichkeiten brachten die Eingemeindungen von Grimmelfingen (1926) und Wiblingen (1927). In Wiblingen entstand zwischen 1932 und 1939 südlich an den alten Ortskern anschließend eine Kleinsiedlung aus fünf parallelen Straßen zwischen Gögglinger Straße und der Straße „Am Wallenkreuz“.

Die bauliche Ausdehnung der Stadt erforderte neben der Erschließung des Straßennetzes auch eine Verbesserung des Donauübergangs. Als vierter Donauübergang nach Herd-, Eisenbahn- und Neuer Donaubrücke (Gänstorbrücke) wurde die in der Verlängerung der Schillerstraße gelegene Schillerbrücke 1928 eröffnet.
Das Straßenbahnnetz, das bei der Inbetriebnahme 1897 aus einer Ringlinie vom Bahnhof über den Münsterplatz, die Frauen- und Olgastraße zurück zum Bahnhof und einer Strecke zum Bahnhof in Neu-Ulm bestand, wurde in den Folgejahren um Linien nach Söflingen, zum Unteren Kuhberg, zum Krankenhaus Safranberg und in die Friedrichsau erweitert. Eine von der Post betriebene Buslinie nach Wiblingen ergänzte das Straßenbahnnetz.
Nachdem sich erste Versuche einer Dampfschifffahrt auf der Donau bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts nicht bewährt hatten, wurde das Projekt, Ulm an das europäische Wasserstraßennetz anzuschließen, erst Ende des Jahrhunderts wieder aufgegriffen.
In einer Denkschrift aus dem Jahre 1905 war von einer Hafenanlage, die aus zwei kleinen Becken an der Einmündung eines Seitenkanals der Donau mit rund 400 m Länge und 60 m Breite und einem rechtsseitigen Becken (800m x 70m) bestehen sollte, die Rede. Kanal und Hafen sollten für 600 t-Schiffe befahrbar sein, die Lage war im Bereich der Friedrichsau vorgesehen.
Die Diskussion wurde wieder durch die Pläne zum Bau eines Neckar-Donau-Kanals (ab 1917) und später des Bodensee-Donau-Kanals belebt. In Verbindung damit stand die Schiffbarmachung der Donau bis Ulm, der Bau eines parallel verlaufenden Donaukanals und der Ausbau Ulms zum Wasserstraßenknotenpunkt mit Hafen. Ein von der Mannheimer Firma Grün & Bilfinger 1932 gefertigter Entwurf sah den Bau eines Westhafens bei Wiblingen vor, an dem der Kanal zum Bodensee abzweigen sollte, und einen Osthafen im Bereich Friedrichsau/Thalfingen, der Ausgangspunkt eines Kanals entlang der Donau und eines Kanals zum Neckar sein sollte. Um die Höhenverhältnisse zwischen Ulm, der Schwäbischen Alb und dem Filstal zu überwinden, war zwischen Ulm und Geislingen ein Stollen unter der Alb geplant.

Bis ins 19. Jahrhundert existierten in Ulm keine Kasernenbauten im eigentlichen Sinn, Soldaten der Bürgerwehr waren entweder privat einquartiert oder bewohnten sog. Soldatenhäuser auf dem Festungswall. Erst mit dem Einzug des bayerischen bzw. württembergischen Militärs stellte sich die Frage nach Unterkünften für Soldaten. Sie fanden sich zunächst im städtischen Zeughaus bzw. in ehemaligen Klostergebäuden, die man für diese Zwecke belegte. Der Bau der Bundesfestung ab 1842 brachte eine erhebliche Vergrößerung der Garnison mit sich. Die sogenannten Defensivkasernen dienten zum einen als Soldatenunterkunft und zum anderen als wehrhafter Verteidigungsbau im Bereich der inneren Festungsanlage. Die verstärkte Aufrüstung nach der Reichsgründung 1871 führte zu einem weiteren Ausbau der Garnison in Ulm. Nachdem die Festung ihre Funktion Ende des 19. Jahrhunderts verloren hatte, wurde die innere Umwallung ab 1900 fast vollständig niedergelegt. Der technische Fortschritt vor allem im Bereich der Motorisierung und der Artillerie führte im Kaiserreich zu einer verstärkten Differenzierung innerhalb der Armee und einem damit einhergehenden Wandel in der Ausbildung. Zum einen wurden bestehende Kasernen umgebaut oder erweitert (Gaisenbergkaserne), zum anderen baute man neue Kasernen, zunächst noch im Bereich der inneren Festung (Karlskaserne, Schillerkaserne), später auch jenseits davon (Sedankaserne ab 1909 als Ersatz für das aufgegebene Zeughaus). Der Krieg 1914 brachte eine verstärkte Nutzung, ja sogar einen Ausbau der Kasernen (Wiblingen) mit sich. Mit der Abrüstung des deutschen Heeres auf 100 000 Mann nach 1919 wurden viele Kasernen in Ulm nutzlos. Sie wurden teilweise einer zivilen Nutzung zugeführt, bis die Aufrüstung unter Hitler neue Kasernen notwendig machte. Allerdings wurden die zu Soldatenunterkünften umgewidmeten historischen Bauten nun nicht mehr mit Soldaten belegt, sondern man baute ab Mitte der 30er Jahre mehrere neue Kasernen: auf dem Eselsberg, auf dem Kuhberg und auf dem Michelsberg.

Die bauliche Ausdehnung der Stadt erforderte auch die Errichtung neuer öffentlicher und kirchlicher Bauten für die steigende Bevölkerungszahlen.
Die in bayerischer Zeit entstandene katholische Pfarrei St. Michael zu den Wengen verlor mit dem Wegzug der bayerischen Beamten den größten Teil ihrer Gemeindemitglieder. Durch den Zuzug aus dem katholischen Oberland, den Ausbau des Eisenbahn- und Postwesens, vor allem aber durch die Garnison wuchs aber der katholische Anteil der Bevölkerung wieder stark an (1861 4550 Seelen, 1900 13033). Speziell für das Militär wurden 1902-04 die St. Georgskirche und die evangelische Garnisonskirche (Pauluskirche) 1908-10 an der Frauenstraße errichtet.
1922/23 entstanden nach einem provisorischen Vorgängerbau von 1907 an der Söflinger Straße die katholische St. Elisabethkirche und an der Zinglerstraße die Martin-Luther-Kirche (1926-28), 1926 das Franziskaner-Kloster an der Haßlerstraße und 1928 die Susokirche im Norden an der Wilhelmstraße zur Entlastung der Wengenpfarrei (1944 zerstört und am Eselsberg wiederaufgebaut).
Durch Zuwanderung aus dem württembergischen Oberland, aus Bayerisch-Schwaben und Franken war die jüdische Gemeinde (1846 57 Personen) bis 1871 auf 555 Köpfe angewachsen, für die die Synagoge am Weinhof errichtet und 1873 eingeweiht wurde.

In Ulm bestanden im 1. Jahrzehnt unter württembergischer Herrschaft zehn auf die einzelnen Stadtviertel verteilte evangelische Volksschulen. Daneben gab es zwei Armenschulen mit Schulgeldfreiheit und eine katholische Schule an der Wengengasse im ehemaligen Wiblinger Klosterhof. Das Prinzip der Bekenntnisschulen blieb bis 1936/37 die gültige Form des Volksschulwesens - danach entstanden die Deutschen Gemeinschaftsschulen.
Der zunehmende Platzbedarf führte 1902 zur Errichtung der Friedrichsauschule, 1907 zum Bau der Wagnerschule in der Weststadt und 1926 zur Blauringschule am Hindenburgring (anstatt der Schulbaracken, sog. Wallschule).
An weiteren öffentlichen Gebäuden sind das 1925 eröffnete Stadion auf der Gänswiese, die Erweiterung des Schlacht- und Viehhofs in der Oststadt (1930) und das Verwaltungsgebäude für das Elekrizitätswerk am heutigen Willy-Brandt-Platz (1929) zu nennen. An der Oberen Bleiche entstand 1930 die Max-Eyth-Halle, eine riesige Viehmarkt- und Ausstellungshalle.
Zur Stromerzeugung wurde bereits 1909 ein Dampfkraftwerk am Bleicher Walk in Betrieb genommen (1918 an die OEW verkauft) und durch die Errichtung von Kraftwerken in Ludwigsfeld (1906), Wiblingen (1907), Öpfingen (1921/23) und Donaustetten (1925/26) die Nutzung der Wasserkraft stark erweitert.
Im Rahmen von Arbeitsbeschaffungsmaßnahmen sowie durch den Reichsarbeitsdienst (RAD) wurden in den 20er und 30er Jahren verschiedene Infrastrukturmaßnahmen wie Straßenbau, Meliorationen durch den Bau von Abwässerkanälen oder Entwässerungsmaßnahmem (z.B. den Hochwasserdamm im Donauried und die Verbreiterung des Grenzgrabens) durchgeführt. Mit dem Bau eines unterirdischen Abwasserkanals entlang der Stadtmauer an der Donau wurde auch eine Uferpromenade auf der Stadtmauer geschaffen.