W 1908 roku ulicą po raz pierwszy pojechały tramwaje elektryczne. W latach 1904–1913 wzniesiono wiadukt prowadzący do budowanego mostu Mikołajewskiego (obecnie Poniatowskiego). W latach 1921–1932 pod ulicą wybudowano tunel kolei średnicowej.
W 1924 roku u zbiegu Alej Jerozolimskich i ulicy Emilii Plater uruchomiono pierwszą w Warszawie i w Polsce stację paliw należącą do spółki Nobel.
Zabudowa ulicy ucierpiała w czasie obrony Warszawy we wrześniu 1939.
Podczas okupacji niemieckiej Alejom nadano nazwę Bahnhofstraße (ul. Dworcowej) (1941−1943), następnie zmienioną na Reichstraße (ul. Rzeszy/Państwowej) (odcinek od pl. A. Zawiszy do ul. Marszałkowskiej) (1943−1945) i „Ostlandstraße” (ul. Ziem Wschodnich) (odcinek od ul. Marszałkowskiej do mostu Poniatowskiego) (1943−1945).
Podczas powstania warszawskiego ulica była miejscem zaciętych walk. W pobliżu ul. Brackiej zbudowano barykadę, która zapewniała jedyne piesze połączenie między północną i południową częścią miasta. Po powstaniu wysadzono Dworzec Główny i spalono większość kamienic pomiędzy Nowym Światem i Marszałkowską.
19 stycznia 1945 roku w Alejach Jerozolimskich odbyła się defilada Wojska Polskiego, którą przyjęli Bolesław Bierut i Edward Osóbka-Morawski.