В 1918 году в Пензе установилась советская власть. В период Гражданской войны здесь проходили бои между противоборствующими Красной армией и мятежными частями чехословацкого корпуса. Позже Пенза стала центром образованного новым правительством Пензенского округа, входящего в состав Средневолжского края, а через два года ее объявили уже районным центром. В 1937 году Пенза стала частью Тамбовской области, но в 1939 после образования Пензенской области стала ее центром. В тот момент население Пензы составляло 160 000 человек.
Многие промышленные объекты были построены во время Великой Отечественной войны и в послевоенные годы. Причиной этому стал перенос предприятий из прифронтовой зоны вглубь тыла, благодаря чему Пенза стала самым крупным производителем минометной техники. В послевоенные годы и следующие десятилетия были запущены кондитерская, трикотажная и швейная фабрики, также налажено производство безалкогольных напитков и счетных машин, начался массовый выпуск велосипедов и наручных часов. С конца XIX века и по настоящее время значительную часть всего промышленного производства занимает приборостроение, машиностроение и строительный комплекс. Территориально Пенза постепенно росла, расширяя свои границы и сливаясь с соседними населенными пунктами, так в 70-х годах в состав города Пензы вошли села Кривозерье, Терновка и Веселовка.