Sau khi nhà Tây Sơn ra đời (1778), phủ Kinh Môn với 7 huyện, trong đó có Đông Triều đã được sáp nhập vào An Quảng. Lúc này An Quảng là một trấn lớn. Sau khi đánh tan cuộc xâm lược của nhà Thanh, vua Quang Trung đã thực thi chính sách mềm dẻo với nhà Thanh. Khu vực mậu dịch Vân Đồn, Vạn Ninh, Móng Cái vì thế có điều kiện hồi sinh.
Năm 1801, Nguyễn Ánh đã đánh bại nhà Tây Sơn và năm 1802 chính thức lên ngôi hoàng đế lấy niên hiệu là Gia Long. An Quảng được giữ nguyên là một ngoại trấn, với một phủ Hải Đông, ba huyện Hoành Bồ, Quảng Yên, Hoa Phong (tức huyện Cát Hải, Hải Phòng ngày nay) và ba châu Vạn Ninh, Tiên Yên, cho một trấn thủ đứng đầu có một hiệp trấn và một tham biện giúp việc. Trấn này chịu sự quản lý của Tổng trấn Bắc thành.
Năm Gia Long thứ nhất (1802), trấn lỵ An Quảng được dời từ xã Vu Thanh, huyện Kim Thành, phủ Kinh Môn, tỉnh Hải Dương về huyện lỵ Yên Hưng, lấy khu vực thị xã Quảng Yên hiện nay làm trấn lỵ. Sự kiện này khẳng định vị thế và tầm vóc của một vùng đất mà các triều đại và cư dân Quảng Yên xưa đã dày công tạo dựng.
Năm Minh Mạng thứ ba (1822), nhà Nguyễn cho đổi trấn An Quảng thành trấn Quảng Yên. Mười năm sau (1832), do yêu cầu cải cách hành chính, trấn Quảng Yên được đổi thành tỉnh Quảng Yên, do tổng đốc Hải An (Hải Dương – An Quảng) kiêm quản. Trấn lỵ Quảng Yên trở thành tỉnh lỵ Quảng Yên. Tỉnh do một tuần phủ đứng đầu, có ty bố chính (là cơ quan hành chính phụ trách các vấn đề tài chính, thuế khóa và tuyên truyền chính sách, chủ trương của triều đình) và ty án sát (phụ trách việc xử án, chủ yếu là về hình sự) giúp việc. Việc tỉnh Quảng Yên được thành lập cho thấy, do vị trí đặc biệt quan trọng nên ở bất cứ thời kỳ nào, khu vực tỉnh thành Quảng Yên vẫn luôn là trung tâm hành chính cấp tỉnh, là đô thị đứng đầu của toàn vùng Đông Bắc.
Tại các huyện, châu của tỉnh Quảng Yên, triều đình nhà Nguyễn giữ nguyên các thổ quan làm tri huyện, phiên tuần cai quản. Năm 1836, phủ Hải Đông được đổi tên gọi là phủ Hải Ninh. Châu Vân Đồn được gộp vào huyện Hoa Phong và được gọi là tổng Vân Hải. Sau đó, nhà Nguyễn tách các huyện Hoành Bồ, Hoa Phong và Yên Hưng ra khỏi phủ Hải Đông, lập thành phủ Sơn Định, cho tri phủ Hoành Bồ kiêm quản.
Năm Thiệu Trị thứ nhất (1841), do kiêng chữ Hoa là tên húy của Hoàng thái hậu Hồ Thị Hoa – mẹ vua Thiệu Trị nên huyện Hoa Phong đổi thành huyện Nghiêu Phong. Trung tâm của huyện đặt tại xã Đôn Lương, nay là thị trấn Cát Hải, huyện Cát Hải (Hải Phòng). Năm Tự Đức thứ ba (1849), triều đình nhà Nguyễn lại hợp ba huyện Hoành Bồ, Nghiêu Phong và Yên Hưng vào phủ Sơn Định, các châu Tiên Yên và Hải Ninh thì gộp và thuộc phủ Hải Ninh. Các đơn vị hành chính cấp thấp hơn gồm các tổng xã, cụ thể như sau: Hoành Bồ (4 tổng, 26 xã, động, phường), Yên Hưng (2 tổng, 16 xã), Nghiêu Phong (3 tổng, 17 xã), Vạn Ninh (4 tổng, 36 xã, thôn, phố), Tiên Yên (6 tổng, 41 xã, động).
Với vị trí quan trọng về chính trị, kinh tế – xã hội và an ninh quốc phòng, nhà Nguyễn đã hết sức coi trọng xây dựng hệ thống phòng thủ ở tỉnh Quảng Yên. Tại huyện Nghiêu Phong xây các đồn Tĩnh Hải trên đảo Ngọc Vừng cùng các bảo (nhỏ hơn đồn) là bảo Yên Khoái, bảo Ninh Hải, bảo Thiếp Hải, bảo Chàng Sơn (Cô Tô). Huyện Tiên Yên có bảo Đồng Nhân, bảo Đình Lập (nay thuộc Lạng Sơn), bảo Cẩm Phả. Huyện Vạn Ninh có bảo Bào Nham. Tỉnh thành Quảng Yên đặt tại núi Tiên Sơn, xã Quỳnh Lâu, huyện Yên Hưng. Trước đó, năm 1802 vua Gia Long đặt trấn lỵ Yên Quảng. Năm 1826 thì đắp thành đất trên núi Tiên Sơn, xã Quỳnh Lâu. Năm 1859, thành được xây bằng gạch đến năm 1866 thì hoàn thành. Thành có chu vi khoảng 700m, cao 3m, có 3 cửa. Di tích thành tỉnh Quảng Yên còn lại di tích đến ngày nay, thuộc phạm vi đóng quân của Lữ đoàn 147 hải quân.
