К началу двадцатого столетия в Усть-Каменогорске начинает появляться антиправительственная литература, прокламации. Вели пропагандистскую работу политические ссыльные. После объявления Манифеста 17 октября 1905 года бывшим политическим ссыльным Орестом Костюриным были устроены периодические чтения в Народном Доме. В течение 1905-1908гг. прошли забастовки усть-каменогорских почтовиков и телеграфистов, рабочих приисков, крестьянские волнения в селах.

В августе 1914 года началась мировая война, и большинство мужчин ушло на фронт. Из-за очередного поднятия цен на продукты и тяжелого материального положения 18 января 1916 года в Усть-Каменогорске женщины начали бунт, который в течение трех дней был подавлен. Опубликование в 1916 году Указа о призыве на тыловые работы инородческого населения послужило поводом к народно-освободительному восстанию. В усть-каменогорском уезде насчитывалось несколько отрядов повстанцев численностью около 3000 человек. Весть о Февральской революции и свержении самодержавия дошла до города только 3 марта 1917 года. В Усть-Каменогорске проходили митинги, призывающие к свободе, а также к прекращению войны. В октябре-ноябре 1917 года была создана большевистская организация. Возглавил совдеп Яков Ушанов. 14 марта 1918 года городская дума была распущена. 31 марта был избран уездный совдеп, председателем которого стал Я. Ушанов. Совдеп просуществовал 97 дней, однако в эти дни решалась масса хозяйственных вопросов: паром через Ульбу, ремонт общественных зданий, строительство электростанции, благоустройство города. Были организованы общественные работы, создана Красная гвардия, Союз молодежи, открыты новые школы. 10 июня 1918 года Советская власть была свергнута, члены совдепа арестованы и казнены.

Частями Красной Армии и партизанами Березовского отряда 10 декабря 1919 года Усть-Каменогорск был освобожден от белогвардейцев. 22 декабря 1919 года начал работу ревком. Во главе отдела народного образования стоял известный впоследствии писатель, автор «Малахитовой шкатулки» Павел Петрович Бажов. Под его редакцией в городе выходили газеты «Известия Усть-Каменогорского ревкома» и «Советская власть». Вместе с Бажовым работал и будущий писатель Александр Мелентьевич Волков.

В 20-е годы в Усть-Каменогорске строились кирпичный завод, аптеки, больницы, водокачка, был открыт педагогический техникум имени Воровского, дали первые спектакли русская и казахская труппы народного театра. Работало литературное объединение «Звено Алтая», организатором которого был известный писатель Н. И. Анов. В 1923 году вышел первый номер журнала «Охотник Алтая». Его редактором был будущий известный писатель Ефим Николаевич Пермитин.

В течение 30-х годов были заложены основы будущей мощной энергетической базы области, начато и закончено строительство железной дороги Рубцовка-Риддер, первой очереди дороги Восточное кольцо, предусматривалось дальнейшее развитие цветной металлургии путем строительства новых фабрик и заводов.

В 1939 году Усть-Каменогорск получил статус областного центра Восточно-Казахстанской области.

Вторжение гитлеровских войск 22 июня 1941 года нарушило планы мирного строительства. Началась Великая Отечественная война. С осени 1941 года в Усть-Каменогорск начали прибывать эвакуированные предприятия и учреждения из разных уголков СССР. В 1942 году на базе демонтированного оборудования завода «Электроцинк», эвакуированного из Орджоникидзе, было начато строительство цинкового электролитного завода, будущего флагмана цветной металлургии Усть-Каменогорского СЦК (ныне – Усть-Каменогорский металлургический комплекс ТОО «Казцинк»). Продолжалось строительство Усть-Каменогорской ГЭС. На производстве работали, в основном, женщины и подростки. Их самоотверженный труд проходил под девизом «Все для фронта, все для победы».

В послевоенные годы начался бурный рост промышленности города. В 1947 году Усть-Каменогорский цинковый завод (СЦК) выдал первые слитки металла, вступила в строй Усть-Каменогорская ТЭЦ. В 1949 году первую продукцию выпустил Ульбинский металлургический завод. В 1952 году Усть-Каменогорский свинцовый завод выдал первый свинец, дал ток первый агрегат Усть-Каменогорской ГЭС. В 1958-1959гг. были пущены в эксплуатацию Востокмашзавод и конденсаторный завод, в 1961 году – завод приборов, в 1965 году – титано-магниевый комбинат. В марте 1958 года начал вести регулярные передачи Усть-Каменогорский телецентр, в сентябре 1960 года была введена в эксплуатацию первая очередь трамвая.

В 1952 году было открыто первое высшее учебное заведение – Усть-Каменогорский пединститут (ВКГУ имени С. Аманжолова), в 1958 году – строительно-дорожный институт (ВКГТУ имени Д. Серикбаева).
Изменился внешний облик города – появились широкие кварталы многоэтажных домов, Дворец спорта, культуры, красивые набережные, парки.

К концу 80-х годов 20 века Усть-Каменогорск стал крупнейшим промышленным и культурным центром республики.

С 1991 года Усть-Каменогорск - областной центр Восточно-Казахстанской области независимого государства Республики Казахстан.