В начале XVIII века интересы Российской империи в Балтийском регионе столкнулись с интересами Швеции. Северная война (1700—1721) завершилась капитуляцией Швеции и присоединением в 1710 году Эстляндии и Лифляндии к Российской империи, что было официально закреплено Ништадтским мирным договором 1721 года.
На территории современной Северной Эстонии была образована Ревельская губерния (с 1783 — Эстляндская), а современная Южная Эстония вместе с современной Северной Латвией образовали Лифляндскую губернию. После присоединения эстляндских земель к Российской империи Пётр I восстановил права немецкой аристократии, утерянные ею при шведском правлении.
За время Северной войны и эпидемии чумы 1710—1711 годов население Эстляндии уменьшилось до 150 000—170 000 человек, но вскоре начало стремительно расти и к 1765 году достигло 400 000 человек.
В 1739 году на эстонском языке была впервые издана Библия. К концу XVIII века более половины эстонского населения губернии умело читать.
Появление новой российской столицы Санкт-Петербург сильно снизило торговое значение таких городов, как Ревель (Таллин) и Нарва.
К 1790 население Эстляндской губернии насчитывало около 500 000 человек. Выросло и городское население (1782): Ревель (Таллин) — 10.700, Дерпт (Тарту) — 3400, Нарва — 3000, Пернов (Пярну) — 2000. В первой половине XIX века немцы составляли 40—50 % горожан, и только 20—40 % являлись эстонцами.
В 1802 году заново открылся основанный в 1632 году Дерптский университет, двери которого были закрыты во время Северной войны. В том же году была проведена реформа, смягчающая крепостное право, обеспечивающая имущественные права крестьян на движимое имущество, и создавшая суды для решения крестьянских вопросов. Упразднение крепостного права в 1816 стало важным шагом на пути освобождения эстонских крестьян от немецкой зависимости, однако прошло ещё несколько десятилетий, прежде чем они получили право приобретать землю в собственность.
В 1821 году начинает выходить «Крестьянский Еженедельник» (эст. «Marahwa Näddala-Leht») под редакцией Отто Масинга. В 1838 году в Дерпте (Тарту) основывается «Общество учёных Эстонии», участниками которого были такие учёные как Фридрих Роберт Фельман и Фридрих Рейнхольд Крейцвальд. В 1843 году пастор Эдуард Ааренс(1803—1863) публикует грамматику эстонского языка, которая заменяет германо-латинскую модель, использовавшуюся до этого.
В 1840-х годах не менее 64000 крестьян приняли православие. Однако в следующие два десятилетия было подано свыше 35000 ходатайств о возврате в лютеранскую церковь.
Аграрный закон 1849 года разделил земли поместий и разрешил продавать и сдавать землю в аренду крестьянам. В 1863 году крестьяне получили удостоверяющие личность документы, и право на свободу передвижения. К концу XIX века более 80 % крестьян в населённых эстонцами северных уездах Лифляндской губернии (юг и центр современной Эстонии) и свыше 50 % в Эстляндской губернии (север современной Эстонии) являлись владельцами или арендаторами земли, что положительно сказалось на экономике страны.
Аграрные реформы и развитие системы образования при императоре Александре II способствовали зарождению эстонского национального движения. Ярким представителем такого движения стал Якоб Хурт (1839—1906) — основатель национальной идеологии, считавший, что миссия движения должна быть культурной, а не политической. Более радикальное направление возглавлялось Карлом Робертом Якобсоном (1841—1882), педагогом, писателем, журналистом, основателем первой политической эстонской газеты «Сакала» (выходила с 1878 по 1882 годы). Сформулированная им политическая программа требовала равных прав для немцев и эстонцев. Он отмечался российским правительством, как главный противник балтийских немцев в Эстляндской губернии.
Общество эстонских писателей (1872—1893), основанное в Дерпте (Тарту), и объединявшее эстонских интеллектуалов, организовало сбор фольклора и этнографических материалов и их публикацию на эстонском языке. С 1870 года был образован первый эстонский театр — «Ванемуйне» (эст. «Vanemuine»). Следуя немецким традициям, в 1869 году был организован первый Певческий праздник — фестиваль песни, собравший более тысячи певцов и музыкантов, и аудиторию свыше 12.000 человек. Этот фестиваль, проходящий каждые 4 года, и сегодня является одной из самых известных традиций Эстонии.
В конце XIX века, из-за усиления Германии, царское правительство начало проводить политику снижения немецкого влияния, названную политикой русификации. В 1882—1883 годах российский сенатор Николай Манасейн организует ревизию в прибалтийских губерниях. Ревизия показала, что остзейские немцы до сих пор господствуют в административных органах, экономической и политической сферах. Были проведены реформы, после которых практически вся административная власть была сосредоточена в руках русских. Но реформы так и не были завершены — большинство чиновников не было знакомо с местными условиями и не знало эстонского языка. Таким образом, влияние остзейских немцев осталось неизменным вплоть до 1917 года.
В 1897 году население Эстляндской губернии составило 958 000 человек, 90 % — эстонцы, около 4 % — русские и 3,5 % — остзейские немцы. Около 65 % населения были заняты в сельском хозяйстве, 14 % работали в индустриальном секторе и строительстве и около 14 % были заняты на транспорте и в сфере обслуживания. Балтийские немцы и русские оставались интеллектуальной, экономической и политической элитой общества. В 1914 году в рядах русской армии служило 140 кадровых офицеров эстонской национальности, в сражениях Первой мировой войны участвовало около ста тысяч эстонцев, и 2 тысячи из них получили офицерские звания. Семь старших офицеров командовали полками, 17 — батальонами, 13 — имели академическое военное образование, 12 — имели звание полковников, 28 — подполковников, трое служили во время войны начальниками штабов дивизий. Во время Первой мировой войны за храбрость и умелое руководство боевыми действиями 333 офицера-эстонца были награждены орденами, в том числе 47 — орденами Святого Георгия. Получил этот орден за личную храбрость и будущий герой Освободительной войны Юлиус Куперьянов, награжденный еще пятью орденами: св. Анны трех степеней и св. Владимира двух степеней.