طرح جامع شهر مشهد در سال ۱۳۵۲توسعهٔ شهر در دهه ۱۳۲۵ تا ۱۳۳۵ در جنوب‌غربی و غرب صورت گرفت. راه‌آهن و فرودگاه تأثیر زیادی بر چگونگی هدایت توسعه داشته‌اند. در دههٔ ۱۳۳۵ تا ۱۳۴۵، جادهٔ جدید تهران باعث توسعهٔ شهر به سمت جنوب گردید. از سال ۱۳۴۵ به‌بعد توسعهٔ شهر منطبق با طرح جامع هدایت شده است. در سال ۱۳۵۵ محور اصلی جادهٔ سنتو، دانشگاه فردوسی و پارک ملت توسعهٔ شهر را به‌سمت غرب تشدید کردند. این شهر قرار بود به دو قسمت مذهبی–سنتی (مشهد شرقی یا رضوی) و توریستی–مدرن (مشهد غربی یا پهلوی) تقسیم شود، که با انقلاب اسلامی ناکام ماند.در سال ۱۳۴۷ طرح نوسازی اطراف حرم علی بن موسی الرضا توسط معمار و شهرساز ایرانی، داریوش بوربور، ارائه شد و در سال ۱۳۵۰ به‌تصویب رسید. در سال ۱۳۵۵ ساختمان‌های اطراف به منظور آماده‌سازی برای اجرای نوسازی تخریب شدند و کسبهٔ ساختمان‌های مشمول تخریب، به بازار وسیعی که بدین‌جهت طراحی و اجرا شده‌بود، منتقل شدند.پس از انقلاب این طرح ادامه نیافت.مشهد به‌دلیل موقعیت جغرافیایی خاص که در منطقهٔ مرزی بین شمال و جنوب خراسان قرار دارد و نیز تداخل جبهه‌های مختلف آب‌وهوایی، دارای آب‌وهوا و خصوصیات ویژهٔ اقلیمی است و قسمت اعظم دشت مشهد–نیشابور، جزء اقلیم سرد و خشک و قسمتی از دشت مشهد–قوچان، نیمه‌خشک و سرد و بخش کوچکی از بلندترین ارتفاعات رشته‌کوه‌های بینالود و هزارمسجد جزء اقلیم مرطوب سرد است و در مجموع شهر مشهد دارای آب‌وهوای متغیر؛ اما به‌طور کلی سرد و خشک است و از تابستان‌های نسبتاً گرم و خشک و زمستان‌های بسیار سرد و مرطوب برخوردار است.منطقهٔ خراسان در طول تاریخ همیشه یکی از فعال‌ترین مناطق زمین‌لرزه‌خیز کشور بوده است. آمار ۴۰ سال گذشته نشان می‌دهد که بیش از نیمی از قربانیان زمین‌لرزه در ایران را قربانیان این منطقه تشکیل می‌دهند. زلزله‌های زیادی در مشهد رخ داده که حدود ۱۴ واقعه متعلق به سال‌های ۱۰۰۸، ۱۰۵۲، ۱۰۵۳، ۱۰۵۹، ۱۰۷۷، ۱۰۸۴، ۱۰۸۷، ۱۱۱۸، ۱۱۱۹، ۱۲۱۴، ۱۲۳۲، ۱۲۳۶، ۱۲۵۴، ۱۲۷۴ ه‍.ق در کتب تاریخ به ثبت رسیده است. در ۱۵ ربیع‌الثانی سال ۱۰۸۴ ه‍.ق به هنگام سلطنت شاه سلیمان صفوی زمین‌لرزهٔ ویرانگری در مشهد رخ داده که حدود دوسوم شهر مشهد؛ ازجمله گنبد حرم علی بن موسی الرضا، سقف گنبد مسجد گوهرشاد و مدارس پریزاد، دودر، مدرسهٔ بالاسر، مدرسهٔ پایین‌پا آسیب فراوان دیده و حدود چهارهزار نفر از مردم مشهد زیر آوار کشته شدند.یکی از گسل‌های مشهد، گسل شمال مشهد است. این گسل ادامهٔ گسل توس است، که در شمال شهر توس از گسل کشف‌رود منشعب شده و با امتداد، شمال‌غرب–جنوب‌شرق از گوشهٔ شمالی مشهد عبور می‌کند. جمعیت‌شناسیتغییرات جمعیت مشهد بین سال‌های ۱۳۳۵ تا ۱۳۹۵شهر مشهد، در سدهٔ اخیر از رشد جمعیت بالایی برخوردار بوده است. در نخستین سرشماری رسمی ایران که در سال ۱۳۳۵ انجام گرفت، این شهر، با ۲۴۱٬۹۸۹ نفر جمعیت پس از شهرهای تهران، تبریز و اصفهان، چهارمین شهر پرجمعیت ایران بود. در سرشماری بعدی و در سال ۱۳۴۵، این شهر پس از تهران و اصفهان، جایگاه سوم را در بین شهرهای ایران داشت. در سرشماری سال ۱۳۵۵، مشهد، پس از تهران، دومین شهر پرجمعیت ایران بود و تا آخرین سرشماری در سال ۱۳۹۵، همین جایگاه را داشته است. براساس سرشماری عمومی نفوس و مسکن سال ۱۳۹۵، جمعیت شهر مشهد در این سال، بالغ بر ۳٬۰۱۲٬۰۹۰ تن بوده استقومیتنظرسنجی سال ۱۳۸۹طی پژوهشی که شرکت پژوهشگران خبره پارس به سفارش شورای فرهنگ عمومی در سال ۸۹ انجام داد و براساس بررسی میدانی و جامعه آماری از میان ساکنان ۲۸۸ شهر و حدود ۱۴۰۰ روستای سراسر کشور، درصد اقوامی که در این نظرسنجی نمونه‌گیری شد در مشهد به قرار زیر بود:اقوام کلانشهر مشهدقومیت  درصدفارس ۹۳٫۵٪، کرمانج ۳٫۴٪، ترک ۲٫۵٪، شمالی ۰٫۵٪، عرب ۰٫۵٪، سایر ۰٫۵٪در مشهد جمعیت قابل‌توجهی از مهاجران افغان سکونت دارند. این مهاجران بیشتر پس از حملهٔ شوروی سابق به افغانستان و ظهور طالبان و متعاقب آن حمله به افغانستان توسط آمریکا و نیروهای ناتو، به ایران مهاجرت کردند. درخلال سال‌های ۱۳۵۸ تا ۱۳۶۰ جمعیتی قریب به ۵٬۰۰۰٬۰۰۰ نفر به‌صورت گروهی به کشور و به‌تبع آن به استان خراسان و شهر مشهد وارد شدند. پس از حملهٔ آمریکا به افغانستان، حدود یک میلیون نفر مهاجر مجاز و ۲٬۵۰۰٬۰۰۰ میلیون نفر مهاجر غیرمجاز به کشور وارد شدند. ازسوی‌دیگر، هم‌زمان با آغاز جنگ ایران و عراق جمعیتی دیگر از آوارگان عراقی نیز در اثر بروز جنگ و ناآرامی مجبور به ترک عراق شده که بسیاری از آن‌ها به‌دلیل باورهای دینی و اعتقادی و روابط اجتماعی و فرهنگی با شهروندان ایرانی، در استان خراسان رضوی به‌ویژه شهر مشهد و سایر شهرستان‌های استان؛ مانند نیشابور اسکان یافتند و بسیاری از آنان با زنان ایرانی ازدواج کرده و تشکیل خانواده داده‌اند.