Tháng Tám năm 1945, cuộc Tổng khởi nghĩa do cách mạng tỉnh Biên Hoà lãnh đạo thành công. Toàn bộ tỉnh Biên Hòa được chính quyền cách mạng tiếp quản trên cơ cấu hành chánh trước đó. Tỉnh lỵ là quận Châu Thành, thị xã Biên Hòa. Năm 1946, sau những ngày độc lập ngắn ngủi, thị xã Biên Hòa bị quân Pháp đánh chiếm. Về mặt hành chánh, thực dân Pháp vẫn giữ nguyên cơ cấu trước năm 1945.

Năm 1947, về phía cách mạng, chính quyền rút về hoạt động vùng Tân Uyên. Được sự chấp thuận của Uỷ Ban Kháng chiến hành chánh Nam Bộ, tỉnh Biên Hòa thành lập quận Sông Bé ở phía Đông và Đông Bắc chiến khu Đ. Năm 1948, trên địa bàn tỉnh Biên Hòa, Uỷ Ban Kháng chiến hành chánh Nam Bộ chia quận Châu Thành ra gồm hai đơn vị: thị xã Biên Hòa và huyện Vĩnh Cửu.

Năm 1951, thị xã Biên Hoà trực thuộc tỉnh Thủ Biên do chính quyền cách mạng nhập hai tỉnh Biên Hòa, Thủ Dầu Một thành tỉnh Thủ Biên. Tỉnh Thủ Biên thuộc Phân Liên Khu miền Đông, gồm 7 huyện: Hớn Quản, Lái Thiêu, Bến Cát, Thủ Đức, Tân Uyên, Vĩnh Cửu, Xuân Lộc, huyện căn cứ Đồng Nai và 2 thị xã Biên Hòa, Thủ Dầu Một. Huyện Long Thành của tỉnh Biên Hòa nhập vào tỉnh Bà - Chợ (Bà Rịa và Chợ Lớn hợp thành Bà Chợ). Tỉnh Thủ Biên tồn tại đến thánh 4 năm 1955.

Về phía chính quyền thực dân, tỉnh Biên Hòa vẫn giữ nguyên cơ cấu như giai đoạn trước. Trong năm 1951, về phía chính quyền thuộc địa, Pháp đổi quận Bà Rá thành quận Sông Bé, cắt chuyển vào tỉnh Thủ Dầu Một.