咸丰九年（1859）7月，两广总督黄宗汉被迫答应英法租借沙面的要求。咸丰十一年（1861）英法官员分别与劳崇光正式签订租约，沙面从此沦为租界。

英法占据沙面后，进行了一系列的经营开发活动。签订租界租约第二天，英国驻广州领事馆奉英政府之命主持将英租界划分为82区，以每区3500元～9000元的不同标价向在广州的外国人出售，由业主自行建房，共售出52区，获利24.8万。其余地段用于建英国领事馆、教堂等。同治四年（1865）沙面英租界初具规模，英领事馆首先迁入沙面，美、葡、德、日等国领事馆随后陆续搬进沙面。原设在十三行的外国洋行也纷纷迁到沙面设立分行，英租界区逐渐繁荣。

法国人在完成营建石室教堂之后才顾得上经营法租界，光绪十六年（1888）建筑领事馆和东方汇理银行广州分行。翌年10月，法国政府将空余土地进行拍卖。光绪十四年（1890）法领事馆迁入沙面，法租界随之繁荣。

沙面的开发有统一的规划，形成完整规则的方格状道路系统。到19世纪末，沙面租界已形成大小8条街道，街道中心有街心花园，各国领事馆、教堂、学校、洋行、银行、住宅、俱乐部、族馆等西方建筑风格的楼房，错落有致地分布在街道两旁。陆续兴建了电力厂、自来水厂、水塔、邮电局、电报局、医院、消防班、清洁队等公共事业机构，还设有沿江公园（英法各一个）、羽毛球场、游泳池、足球场、网球场、露天音乐台、影剧院等娱乐设施。这些场所只供洋人及少数华人买办享用，普通华人不准涉足。交通方面，除了东、西桥与岸上相通之外，南面江岸有一座小码头，外国人可以从码头乘小艇直接登上停舶在白鹅潭的军舰，不须经中国海关。英法租界分别成立各自独立的工部局，管理本租界的治安、行政、市政公共建设以及人口、税务等事务，沙面租界俨然是独立于广州城之外的另一个外国城市。沙面租界的近代化管理、近代化企事业、近代文化体育设施以及西方建筑风格，对促进广州城市近代化的进程起了一定的作用，沙面及附近的长堤逐渐成了广州城市建设一个较先进的地区。

虽然英法之外的其他国家可以在沙面买地建房，但沙面租界的建筑规划和设计一直都统一由英法两家设计公司包办，因此，沙面租界的建筑基本上是英、法两国近代建筑风格。沙面近代建筑的风格大体分为三个时期。早期建筑建于租地之初的同治二年（1863）至广州人民火烧英租界时的光绪十二年（1886）。这一时期的建筑风格基本是“英法亚洲殖民地”式，除教堂外，沙面的建筑多为居住用，形式较一致：为二层四坡顶，屋顶伸出烟囱，正立面一、二层都设外廊劵廊或柱廊，砖木结构为主，附加钢、石结构。中期建筑兴建于19世纪末至20世纪30年代，这是沙面近代建筑的兴旺期。其建筑风格为“折衷主义”，也称“集仿式”，普遍使用钢筋混凝土、砖、木、工字钢组合的混合结构，高度超过三层，建筑面积超过1000平方米，适应于建立银行、洋行的要求。其形式多种多样，有新古典式主义的，有新巴洛克式为主的；也有新古典与新巴洛克式混合不分主次的；也有顺应西方已兴起的早期现代主义建筑风格，外立面尽量简化而内部还是新古典的。后期建筑数量不多，是在20世纪30年代后期至抗战时期广州沦陷前所兴建。新建筑停止了对西方古典主义的模仿，转向现代主义的简洁立面。

沙面的建设直接影响到邻近地段，对岸沙基沿堤绿化，修筑了黄沙到联兴街的沿江马路，马路边建起粤海关大楼、邮局大楼等一系列西式楼房，构成近代城市的新城市景观。

沙面建筑群的历史、文化价值在解放后得到重视。1959年，周恩来总理到沙面视察，指示要保持沙面旧貌，让其作为半殖民地历史的见证。不久，成立沙面地区整治委员会，国家拨款700多万元开始了以清理占用楼宇单位为主的沙面岛整治。1984年、1995年，先后两次大规模整治沙面，1996年12月沙面建筑群公布为全国重点文物保护单位。