1963년 1월 1일을 기하여 정부 직할시 승격으로, 제3차 행정구역이 확장되어 동래군의 구포읍과 사상, 북면, 기장읍 송정리를 편입하여, 6구(중구, 서구, 동구, 영도구, 부산진구, 동래구), 7출장소(대연, 사상, 사하, 북면, 수영, 구포, 해운대), 136동으로 편제되었다. 이후 부산은 급격한 발전을 거듭하여 1960년 중반 부산의 인구는 광복 당시보다 무려 5배 증가한 150만명에 시역이 373.23㎢로 확장됨으로써 대도시 특유의 기능체제를 갖추게 되었다.
1972년 2월에는 부산시 제3차 5개년 종합개발계획이 확정되었고, 1973년 7월 1일에 동래군이 폐지되고 기장지역은 양산군에 편입 되었다. 1975년 10월 1일에 부산직할시 직할 사하출장소와 북부출장소가 설치되고, 구포출장소와 사상출장소, 북면출장소가 폐지되었다. 또한 남구가 설치되었다. 1976년 4월 9일에 동래구 해운대출장소가 부산직할시 직할 해운대출장소로 승격되었다. 10월 4일에는 부산국제공항이 김해로 이전하여 김해국제공항으로 개칭되었다.
1978년 2월 15일에 제4차 행정구역 확장으로 낙동강 삼각주의 대부분 지역인 김해군 대저읍, 가락면 북정리외 3개리, 명지면 중리외 5개리가 시역으로 편입되면서 면적은 432.32㎢ 로 늘어났다. 또한 북구가 설치되었다. 9월 30일에 부산항 제5부두인 자성대컨테이너 부두가 개장되어 부산이 동북아 항만물류도시의 중추적인 역할을 담당하게 되었다. 1979년 10월 1일 부산직할시 인구가 300만명을 돌파하여 우리나라 제2도시로서 국제적인 위상을 드높이게 되었다.
1980년 4월에 해운대구가 설치되었고, 10월에는 부산항 부두도로(충장로) 확장 및 제1도시고속도로인 번영로가 개통(1977. 5 착공)되어 부산항 물동량의 원활한 수송과 시내교통의 교통체증을 해소하게 되었다. 1985년 7월 19일에는 지하철 1호선 1단계 구간(노포동∼범내골)인 16.2㎞가 개통(1980. 19. 20 착공)으로, 서울에 이어 부산에도 지하철시대가 활짝 열리게 되었다.
1988년 1월 금정구가 설치되었고, 1989년 1월 1일에는 제5차 행정구역 확장으로 경상남도 김해군 가락면과 녹산면 그리고 창원군 천가면 등이 편입되면서 면적 525.95㎢로 거대도시의 면모를 보여주게 되었다. 또한 강서구가 설치되어 12개구로 늘어났으며, 강서구 직할 천가출장소가 설치되었다. 이로써 부산은 인구 400만을 수용하는 세계적 도시로 발전하여 국제도시의 성격을 갖추게 되었다. 1991년 3월 26일 부산직할시 시의원 및 자치구 기초의원 선거가 실시되어 시의원 51명과 기초의원 303명이 선출되었고, 6월 26일에 제1대 부산직할시의회가 개원되어, 부산은 지방자치제의 실현과 함께 주민이 직접 참여하여 만들어 가는 진정한 민주사회의 새로운 장을 열게 되었다.