In opdracht van de vroedschap tekende Daniël Stalpaert in 1662 het definitieve ontwerp voor de stadsuitbreiding (de Grachtengordel).
Tegen het einde van de 16e eeuw was de stad vooral aan de oostzijde gegroeid, voorheen de Lastage en tegenwoordig de Nieuwmarktbuurt genoemd. In de 17e eeuw groeide de bevolking van 30.000 naar 210.000 inwoners. De laatste grote epidemie van de pest kostte in 1664 nog 10% van de bevolking het leven.
De regenten planden een forse stadsuitbreiding en tussen 1612 en 1663 kwam in twee fasen de karakteristieke Amsterdamse grachtengordel tot stand, eerst tot aan de huidige Leidsegracht, vanaf 1658 doorgetrokken tot aan de Amstel. Aan de parallel lopende Herengracht, Keizersgracht en Prinsengracht had zich vooral de gegoede burgerij gevestigd. Ontwerper van de grote stadsuitbreiding van 1658 was de toenmalige stadsarchitect Daniël Stalpaert. Immigranten uit binnen- en buitenland werden aangetrokken door Amsterdam. Deze vestigden zich in de Jordaan ten Westen van de grachtengordel.
Van 1650 tot 1850 groeide het oppervlak van de stad Amsterdam niet veel, toch was er geen sprake van stagnatie. Het inwoneraantal bleef groeien en ook de rijkdom van Amsterdam werd in eerste instantie geconsolideerd. De handel op de Oostzee en met Frankrijk en Engeland bleef tot aan het einde van de 18e eeuw voor bedrijvigheid zorgen.
Amsterdam (1640) volgens de cartograaf Joan Blaeu
De val van Antwerpen in 1585 bood Amsterdam ongekende kansen. Antwerpen was tot dan toe de voornaamste handelsstad in de regio, maar met de val van Antwerpen nam Amsterdam die positie over. Veel Antwerpse kooplieden kozen domicilie in Amsterdam. Ook veel Portugese of Sefardische Joden vluchtten naar Amsterdam en namen hun handelsnetwerk mee. Waar het de katholieken sinds de Alteratie in 1578 verboden was om kerken te bouwen, werden synagoges gedoogd, een uitzonderlijke situatie in het Europa van die dagen. Een periode van ongekende bloei en expansie brak aan voor Holland en Amsterdam, beter bekend als de Gouden Eeuw.
Naast de Oostzeehandel werden nieuwe contacten gezocht. In 1595 stuurden Amsterdamse kooplieden Cornelis de Houtman naar Indië; Amsterdam werd de grootste aandeelhouder in de in 1602 opgerichte Vereenigde Oostindische Compagnie (VOC). Naast de VOC ontstaan in de Gouden Eeuw ook de Wisselbank en winkels als Ship Chandlers Warehouse. Amsterdam is daarmee niet alleen de belangrijkste handelsstad, maar ook financieel centrum van toenmalig Europa.
In de Gouden Eeuw bloeit ook de kunst. Een kleine greep uit de kunstenaars die in die tijd in Amsterdam leefden: de schrijvers en dichters P.C. Hooft, Joost van den Vondel en Bredero, de schilder Rembrandt en de componist Sweelinck. In 1632 opende het Athenaeum Illustre, voorloper van Universiteit van Amsterdam.
Aan de Gouden Eeuw en de toppositie van Amsterdam kwam een einde met de Vierde Engelse Oorlog van 1780 tot 1784 en de Franse overheersing. De werkelijke neergang van Amsterdam ligt in de Bataafs-Franse tijd, toen de plaatselijke economie vrijwel stil kwam te liggen.