В 1920 году Юзовка оказалась под контролем красной армии и вошла в состав вновь образованного государства – Союза Советских Социалистических республик. В 1923 году город был переименован в Сталино в честь генерального секретаря центрального комитета коммунистической партии советского союза Иосифа Виссарионовича Сталина. С этого момента началось бурное экономическое и культурное развитие города, население увеличивалось очень быстро, так в 1923 году в Сталино по приблизительным подсчетам проживало около 63.000 человек, тогда как к 1927 году население города начитывало уже порядка 180.000 человек.
В первые годы существования города Сталино было построено большое количество шахт, открыты новые рудники, в это же время были образованы такие районы города как Сталинский (ныне часть Ленинского района), Калининский и Куйбышевский районы.
В это же время началось массовое переименование улиц, так центральная улица получила название улицы Артема в честь видного революционного деятеля, такое название она носит и поныне.
Бурное развитие города, открытие новых производств привело в тому, что в 1932 году было принято решение о расширении границ города Сталино, в его состав вошло несколько прилежащих поселков, которые образовали три новых района Буденовский (ныне Пролетарский и Буденовский) – в восточной части города, Кировский и Петровский – в западной его части.
В конце 30-х годов активно начинает развиваться инфраструктура города, в эти годы был запущен первый трамвай, связавший железнодородный вокзал и металлургический завод (ныне первый городской трамвайный маршрут), а также был запущен первый автобус по улице Артема (сейчас второй городской автобусный маршрут), а вот троллейбусы в Донецке появились несколько позже (в 1933 году), они также вышли на маршрут от Металлургического завода до Студенческого городка по первой линии (ныне второй городской троллейбусный маршрут «ДМЗ – Ж/Д вокзал»).
В эти же годы основываются первые образовательные учреждения города Сталино. Так в 1921 году был основан горный техникум, на базе которого в 1926 году открыт Политехнический институт (сейчас – Донецкий национальный технический университет), а в 1930 году по инициативе и при поддержке М. Горького в Сталино был основан медицинский институт (ныне Донецкий национальный медицинский университет имени М. Горького).
В 1932 на берегу речки Бахмутка было начато строительство городского парка культуры и отдыха имени Постышева. Затем парк был переименован в парк имени Щербакова, а на реке Бахмутка созданы первый и второй городские пруды.
В конце тридцатых годов в Сталино было начато строительство городского водопровода и канализации, охвативших со временем весь город.
В 1932 году по решению советских властей была создана Донецкая область, которая на тот момент включала в себя современные Донецкую и Луганскую области и была названа в честь самой большой реки региона – Северского Донца. Город Сталино стал центром Донецкой области.
Продолжается развитие промышленного комплекса, строятся новые шахты, возводятся обогатительные фабрики, создан завод металлоконструкций.
Население города к 1941 году составляло более полумиллиона человек.
В 1941 году город Сталино был оккупирован немецко-фашистскими захватчиками, более 700 дней город пребывал в оккупации. На территории города и области действовало множество подпольных отрядов, которые вели борьбу с захватчиками, боролись за освобождение Донбасса. Сам город Сталино был освобожден только в сентябре 1943 года. Особо отличились при освобождении города 50-я, 230-я и 301-я стрелковые дивизии. Позднее помощь в освобождении города оказывала танковая дивизия под командование полковника Гринкевича.
После освобождения Сталино его население составляло всего 175.000 человек.
В послевоенные годы в Сталино начато блочное строительство трехэтажных домов (возле Шахты Заперевальная в Буденовском районе города), построены предприятия пищевой промышленности – маргариновый завод, молокозавод, мясокомбинат, макаронная фабрика, винзавод, мелькомбинат (в Калининском районе города).
В Сталино было открыто и Министрество угольной промышленности, которое спустя некоторое время было перенесено в столицу – город Киев.
В 1961 году после разоблачения культа личности Сталина, город Сталино был переименован в город Донецк как центр образованной в 1932 году Донецкой области.