Von den Osmanen wird Thessaloniki kurz nach der Eroberung der Stadt in Selanik umbenannt.
Zu Beginn der osmanischen Epoche sind ab dem Jahr 1492 sephardische Juden angekommen. Die sephardischen Juden sind in Spanien und Portugal vertrieben worden. Bereits 1519 machen die sephardischen Juden in Thessaloniki 53% der Gesamtbevölkerung aus. Die restlichen 47 % der Einwohner Thessalonikis teilen sich in Orthodoxe, Muslime und einige wenige Katholiken auf.
Thessaloniki wird für mehr als zwei Jahrhunderte die Stadt, mit dem größten jüdischen Bevölkerungsanteil in der ganzen Welt. Von den Juden selbst wird Thessaloniki als das "Jerusalem des Balkans" und die "Mutter Israels" genannt.
Thessaloniki wird in den folgenden Jahren mehrmals von den Venezianern mit deren Flotte belagert. So geschehen in den Jahren 1571, 1656 und 1688.
Auch die europäischen Pandemien der Neuzeit machen vor Thessaloniki nicht halt. In den Jahren 1550, 1553, 1572, 1581, 1588, 1609, 1648, 1679, 1689, 1724, 1748, 1755 und 1779 wird Thessaloniki von der Pest heimgesucht. In den Jahren 1832, 1857, 1893, 1911 und 1913 folgten die Cholera Epidemien. Ist Thessaloniki von Epidemien heimgesucht worden, sind Teile der Stadt 1587, 1679, 1620, 1625, 1734, 1754, 1840, 1849, 1877, 1890 und 1910 immer wieder abgebrannt. Zusätzlich ist die Region Thessaloniki ein äußerst aktives tektonisches Gebiet. Große Erdbeben erschütterten Thessaloniki in den Jahren 1573, 1829, 1858, 1866, 1871, 1876 und 1902.
In den folgenden Jahrhunderten entwickelt sich Thessaloniki zu der wichtigsten Handelsstadt des Osmanischen Reiches auf dem Balkan.
Im Jahr 1821 beginnt die griechische Unabhängigkeitsbewegung den Kampf gegen das Osmanische Reich. Auch Thessaloniki und Umgebung beteiligt sich an den Kämpfen. Im Norden wird die Unabhängigkeitsbewegung rasch niedergeschlagen, in Südgriechenland entsteht 1824 der unabhängige Staat Griechenland.
Zum Ende des 19. Jahrhunderts ist Thessaloniki im Begriff stetig zu wachsen. Leben in Thessaloniki 1865 noch 55.000 Menschen sind es 1880 90.000 und 1895 bereits 120.000 Einwohner. Durch die Verknappung von Wohnraum wird 1869 der südliche Teil der Stadtmauer zwischen dem weißen Turm und der Ano Poli eingerissen.
Durch die Industrielle Revolution, die sich in Thessaloniki stark bemerkbar macht, wird die Stadt 1872 an die Eisenbahnlinie München Belgrad Skopje angeschlossen.
Im Jahr 1881 wird der Begründer der modernen Türkei Mustapha Kemal Atatürk in Thessaloniki geboren. Sein Geburtshaus ist heute das türkische Generalkonsulat und beherbergt auch ein Atatürk Museum. 1893 erhält Thessaloniki seine erste Straßenbahn, die noch von Pferden gezogen wird.
Während des ersten Balkankrieges wird Thessaloniki am 26. Oktober von den Osmanen an die griechischen Truppen übergeben, nur wenige Stunden bevor die bulgarische Armee in Thessaloniki eintrifft. Thessaloniki und große Teile von Makedonien gehen in der Friedenskonferenz von Bukarest an Griechenland.