
Revoluce roku 1848 se prohnaly Evropou a Rakousko vidělo volání po liberálních a nacionalistických reformách, které donutily Metternicha a mentálně postiženého císaře Ferdinanda I. odstoupit. Císařův synovec, František Josef, nastoupil na trůn v pouhých 18 letech. Zpočátku revoluční dynamika tlačila Rakousko k ústavním reformám, ale ty byly rychle omezeny, protože František Josef upevnil moc a vrátil se k absolutismu, s použitím vojenské síly k potlačení povstání v místech jako Lombardie a Maďarsko . V roce 1850 se Rakousko vzdalo jakýchkoli ústavních slibů, ale osvobodilo svou třídu rolníků, což byl krok, který později usnadnil industrializaci.
Rakouská zahraniční politika čelila mnoha výzvám. Během krymské války (1853–1856) se Rakousko snažilo zůstat neutrální, což byl postoj, který rozhněval jak spojence, tak potenciální nepřátele. Rakouský vliv v Itálii, kde sílilo hnutí za sjednocení (Risorgimento), brzy vedl kdruhé italské válce za nezávislost (1859). Piemont a Francie pod vedením Napoleona III. vyprovokovaly Rakousko do války, kde utrpělo kritické porážky. V roce 1860 Rakousko postoupilo Lombardii Francii a Itálie se sjednotila pod Království Sardinie. Tyto ztráty dále tlačily Rakousko k udělení omezených ústavních práv a iniciaci „říjnového diplomu“ (1860) a „únorového patentu“ (1861), které zavedly říšskou radu neboli říšskou radu, ačkoli maďarští vůdci se tomu bránili.
Napětí s Pruskem rostlo, zejména kvůli Německé konfederaci . Rakousko se připojilo k Prusku proti Dánsku ve druhé Šlesvickové válce (1864), nárokovalo si Holštýnsko, ale nakonec se střetlo s Pruskem o svou budoucnost. Soupeření vyvrcholilo rakousko-pruskou válkou v roce 1866, kdy se Itálie připojila k Prusku. Porážka Rakouska v bitvě u Königgrätzu ho přiměla postoupit Benátsko Itálii a přijmout pruskou nadvládu v novém Severoněmeckém spolku, čímž skončila role Rakouska v německých záležitostech.
V roce 1867 Rakousko dosáhlo rakousko-uherského vyrovnání (Ausgleich), čímž vznikla dvojí monarchie. Rakousko a Maďarsko by nyní byly za císaře Františka Josefa rovnocennými říšemi, každá by měla svůj parlament a vládu, ale sdílela zahraniční a vojenskou politiku. Zatímco Maďarsko získalo autonomii, toto uspořádání zvýšilo další národnostní napětí, zejména mezi slovanským obyvatelstvem v Čechách a Haliči, které také usilovalo o nezávislost.
Během dlouhé vlády Františka Josefa se Vídeň kulturně a ekonomicky proměnila, zejména v době „Gründerzeit“ rychlé expanze a modernizace. Industrializace vzkvétala a světová výstava ve Vídni v roce 1873 oslavila tuto prosperitu navzdory hospodářskému krachu téhož roku. Politicky, impérium vidělo vznikající stranické divize a rozšířené volební právo. Nacionalistické a etnické napětí však nadále rostlo, zejména po okupaci Bosny a Hercegoviny (1878) a formální anexi (1908).
Koncem 19. a začátkem 20. století se Vídeň stala kulturním centrem. Umění vzkvétalo s hnutím vídeňské secese v čele s Gustavem Klimtem a nástupem architektury Jugendstil neboli secese. Tato éra produkovala hudební velikány jako Mahler a literární postavy jako Karl Kraus. Rostoucí požadavky na sociální reformy, liberální výzvy a nacionalistické napětí však otestovaly dvojí monarchii. V roce 1914 čelilo Rakousko-Uhersko rostoucím tlakům vnitřní nespokojenosti, což připravilo půdu pro jeho případný úpadek v nadcházející válce.