בתקופת המנדט הקים הצבא הבריטי בראש העין בסיס תחמושת מרכזי, כאחד משורת הבסיסים באזור השפלה: בית נבאללה – בסיס תובלה, וכפר סירקין – שדה תעופה צבאי. מבנים מהמחנה הבריטי נותרו בראש העין הותיקה, ואחדים מהם מיועדים לשימור. באזור ראש העין שכנה בשנות ה-30` תחנת משטרה, שבה שרתו גם נוטרים יהודיים.
במלחמת השחרור נכבשה ראש העין ע"י לוחמי האצ"ל ב-30 מאי 1948, אך אנשיו נהדפו מהיישוב למחרת. הצבא העיראקי, שחדר לשומרון ולמשולש, נכנס לראש העין ולמגדל צדק. כוחותיו התמקמו במחנה מדרום-מזרח למבצר תל אפק, תוך יצירת איום על פתח-תקווה ושליטה במעיינות הירקון. במהלך הקרבות נותק צינור המים המנדטורי לירושלים, והמים לעיר העברית הועברו דרך קו חליפי מאזור נען וחולדה. דוד בן-גוריון, שראה את סוגית אספקת המים לירושלים כקריטית, הורה לצה"ל לכבוש את ראש העין.
מגדל צדק נכבשה ע"י גדוד 32 מחטיבת אלכסנדרוני (חטיבה 3), שתוגבר בכוחות מגדוד חי"ם (חיל משמר) 145 – נפת הירקון, שהיווה חלק מהחטיבה. הלחימה התנהלה במבצע בתק, שבוצע בליל 11 – 12 יולי 1948, במסגרת המהלכים הראשונים של מבצע דני. כוחות אלכסנדרוני השתלטו על מגדל צדק, המחנה העיראקי, תל אפק ומכון השאיבה של מי הירקון. העיראקים המשיכו לתקוף את האזור ולהפגיזו בתותחים, עד לנסיגתם בשלהי מלחמת השחרור. בקרבות לשחרור האזור נפלו 36 לוחמים, מהם 12 אנשי אצ"ל.
ראש העין הינה צומת של מים ודרכים מימי קדם ועד עתה. התילים ההיסטוריים של אפק ומגדל צדק חלשו על מעבר אפק בדרך הים (Via Maris ). המבצרים הצלבניים שקמו בעקבותיהם שכנו בצידי הדרך שעברה מאשקלון, דרך הערים שקמו בתקופה הערבית - רמלה ולוד - אל אזור קיסריה במישור החוף. חציית הירקון היוותה אתגר לצבאות שונים במהלך ההיסטוריה. במלחמת העולם ה-1 הציבו התורכים מארב לבריטים באזור מגדל צדק, אלא שכוחותיו של אלנבי חצו את מעברות הירקון בסמוך לת"א.
עם פיתוח מסילות הברזל בארץ ישראל, נסלל קו רכבת שעבר דרך ראש העין והתחבר לתוואי של "רכבת העמק". בשנים 1949 – 1953 עברו הרכבות מחיפה לתל-אביב דרך תחנה זו, ממנה הסתעפה שלוחת מסילה לאזור בני ברק (תחנה שהוגדרה אז כת"א – צפון). תוואי רכבת הפרברים, שבה משולבת תחנת ראש העין החדשה, נחנך בשנת 2000.
בשנות ה-50` בוצע מפעל המים ירקון – נגב, במסגרתו מועברים מים בשתי מערכות קווים (מזרחי ומערבי) ממקורות הירקון באזור ראש העין לפיתוח הנגב. בשנת 1955 שוקם קו המים המנדטורי שהוביל מים ממעיינות הירקון לירושלים. בשנת 1964 הפך מפעל ירקון-נגב לחלק מה"מוביל הארצי", המזרים את מי הכנרת מצפון המדינה, דרך תחנת השאיבה בראש העין, אל הנגב.
היישוב ראש העין התפתח על בסיס מעברה של עולים מתימן. 5 אלפים מיהודי תימן, שניסו לעלות לישראל בשנות ה-40` ונעצרו ע"י הבריטים במחנה חאשד ליד עדן, עלו לישראל במבצע אוירי בתקופה דצמבר 1948 – מרץ 1949. מחנה זה כונה ע"י יהודי תימן כ"מחנה הגאולה". מאמצע 1949 ועד ספטמבר 1950 התנהל מבצע "מרבד הקסמים" להטסת יהודי תימן לישראל. העולים כינו את המבצע בשם "ביאת המשיח" ואת המטוסים בשם "כנפי נשרים", עפ"י הפסוק בשמות י"ט: "ואשא אתכם על כנפי נשרים ואביא אתכם אלי". ב-430 טיסות הובאו ארצה 47,000 מיהודי תימן ועדן, וכן עולים נוספים מאסמרה וג`יבוטי שבקרן אפריקה.
מדינת ישראל שיכנה את העולים, שזרמו מיבשות שונות, במעברות שפוזרו ברחבי הארץ. הקשיים ששררו במדינה בשנים הראשונות חלו באופן חריף גם על שירותי הבריאות, החינוך והרווחה במחנות העולים. תקופה זו הותירה פצעים פתוחים בחברה הישראלית עקב מחלות ומוות של ילדים (פרשה שזכתה לכינוי "ילדי תימן"), מאבקים על שמירת המסורת והזרמים בחינוך במחנות (שהביאו לכינונה של ועדת החקירה הממלכתית הראשונה בישראל), וכן מצוקת רעב ו"תקופת הצנע" (במעברת ראש העין ארעה הפגנה של עולים רעבים, במהלכה נהרג עולה מיריות שוטרים). בתוך המחנות, נרקמו חיים קהילתיים, אשר תורגמו להוויה חברתית ופוליטית ביישובי הקבע שקמו באתרי המעברות.
בשנים 1949 - 1950 התיישבו עולים מתימן בקרבת המחנה הבריטי בראש העין, סביבו הוקמו 1,500 אוהלים. נראה שבמעברה שהו 35 אלף עולים. ב-1951 הוקם בראש העין יישוב קבע, שנוהל ע"י ועד מקומי. ב-1954 מינה שר הפנים ליישוב מועצה ממונה, שהוחלפה ב-1955 ע"י מועצה מקומית נבחרת. ביולי 1994 הוכרזה ראש העין כעיר. בשנות ה-90` נבנו בה שכונות חדשות, בהן נקלטו אוכלוסיות מגוונות, לרבות משפחות של אנשי צה"ל ומערכת הביטחון, וכן עולים מחבר המדינות. בשנת 2007 מונה העיר כ- 38 אלף נפש.