W latach 1534–1555 ówczesny władca Günther XL zu Schwarzburg nakazał rozebrać średniowieczny zamek w Sondershausen i wzniósł na jego miejscu renesansowy, istniejący do dziś pałac, przebudowany później przez jego następców w latach 1680–1725 w stylu baroku i w połowie XIX wieku w stylu klasycyzmu. W latach wojny trzydziestoletniej miasto zostało parokrotnie spustoszone przez wojska cesarskie, poprzez wojnę i zarazę; połowa mieszkańców utraciła życie.

Z biegiem stuleci Sondershausen rozwijało się pomyślnie: w 1738 otwarto linię pocztową z Brunszwiku poprzez Sondershausen do Bad Langensalza, w 1795 zaczął się ukazywać pierwszy tygodnik, Gnädig Privilegiertes Sondershäuser Wochenblatt, a w roku 1813 pierwszy dziennik, Der Deutsche, który przetrwał do 1943. W roku 1863 miasto uzyskało połączenie kolejowe z na trasie Erfurt – Nordhausen. W 1892 otwarto kopalnię potasu Glückauf i wybudowano dla pracowników osiedle robotnicze, w latach 1895–1898 miasto podłączono do kanalizacji, w 1902 było już zelektryfikowane. W 1909 zmarł bezpotomnie ostatni książę Schwarzburg-Sondershausen, Karl Günther (1830–1909) i księstwo po 400 latach połączyło się z drugim państewkiem Schwarzburgów, Schwarzburg-Rudolstadt w unii personalnej, przy czym miasto Sondershausen stało się alternatywną rezydencją panującego.