Transformacja, która zaszła w XIX w. całkowicie zmieniła Włocławek. Z małego miasteczka wyrósł na największy ośrodek Kujaw wschodnich. W 1815 r. liczył 2444 mieszkańców, natomiast w 1914 r. liczba ta zwiększyła się do 37 022 osób.
Już w 1816 r. powstała na Zazamczu fabryka cykorii braci Ferdynanda i Ludwika Bohmów, a w 1850 r. Wilhelm Haack założył tam fabrykę maszyn rolniczych. Kolejny zakład tej branży uruchomił w 1883 r. Hugo Mühsam. Ponadto powstały fabryki: 1860 r. — instrumentów i aparatów fizycznych Henryka Neumana, 1870 r. — cegielnia parowa Leona Bojańczyka, 1873 r. — fajansu Kühfelda, Czamańskiego, Szrejera i Boasa, 1880 r. — fajansu Danzygera, Hufnagla i Spółki, 1886 r. — fabryka maszyn i narzędzi rolniczych I. Kochanowicza, 1894 r. — fajansu „Keramos” A. Fibigera, 1895 r. — wyrobów drucianych C. Klauke, 1897 r. — farb i lakierów „Nobiles” Mieczysława Sachnowskiego oraz Michała i Józefa Kochanowiczów, 1898 r. — celulozy braci Cassirerów.
Obok dużych fabryk, na początku XX w. funkcjonowało kilkadziesiąt małych zakładów przemysłowych, produkujących na potrzeby ludności miasta i okolicy.
W XIX w. Włocławek przebył drogę od miasta prawie jednolicie polskiego pod względem narodowym i katolickiego pod względem wyznaniowym do wielonarodowego i wielowyznaniowego. Związane to było z napływem najpierw ludności niemieckiej, przeważnie protestanckiej, następnie żydowskiej — wyznającej religię mojżeszową, a od 1815 r. prawosławnej rosyjskiej.
Rozwój gospodarczy Włocławka, zmiana jego funkcji ekonomicznych oraz wzrost liczby ludności powodowały modernizację układu urbanistycznego. Według planu z 1818 r. oś miasta stanowiła ulica Nowa (dzisiejsza 3 Maja), która prowadziła od Starego Rynku do nowo wytyczonego placu (dzisiejszy pl. Wolności). Pomiędzy 1848 r. a 1850 r. włączono do miasta tereny osad: Syberia, Kępiny, Grondy, Papieżka, Glinki i Kolanowszczyzna. Następnie, w roku 1851, wcielono przedmieście Zazamcze. Kolejne powiększenie obszaru Włocławka nastąpiło po wybudowaniu w 1862 r. Drogi Żelaznej Warszawsko-Bydgoskiej, kiedy to przyłączono przyległe do kolei tereny: Łanieszczyzna, Bularka, Kokoszka, Rakutówek i Czerwonka.
Druga połowa XIX i początek XX przyniósł narodziny polskich organizacji społecznych, prowadzących aktywną działalność na polu kulturalnym oraz narodowym. Zaliczyć do nich należy: Stowarzyszenie Straży Ogniowej Ochotniczej we Włocławku, Włocławskie Towarzystwo Wioślarskie, Towarzystwo Chrześcijańskich Rzemieślników i Przemysłowców Polskich we Włocławku, Polskie Towarzystwo Gimnastyczne „Sokół”, Polską Macierz Szkolną, Polskie Towarzystwo Krajoznawczego i wiele innych.
W 1905 r. ulice Włocławka stały się widownią strajków i masowych demonstracji. Robotnicy przemysłowi oraz młodzież szkolna protestowali przeciwko uciskowi politycznemu i społecznemu władz carskich. W dniu 7 lutego robotnicy z 16 fabryk zorganizowali strajk i demonstrację uliczną, w czasie których wysunięto szereg żądań o charakterze socjalnym. Tego samego dnia do strajku przyłączyli się uczniowie Włocławskiej Szkoły Handlowej (obecne Liceum Ziemi Kujawskiej) oraz młodzież z innych szkół. Domagano się nauki w języku polskim i polskich nauczycieli. Fala niepokojów społecznych w mieście wygasła dopiero w połowie 1907 r.
W życiu mieszkańców miasta coraz większą rolę zaczęły odgrywać partie polityczne. Wśród nich duże znaczenie miały Socjaldemokracja Królestwa Polskiego i Litwy oraz Polska Partia Socjalistyczna. W ramach tej ostatniej funkcjonowała tzw. Organizacja Bojowa, która na swym koncie miała wiele zamachów na urzędników rosyjskich i napadów na instytucje rządowe.
