中华民国成立后，万寿寺作为皇家佛寺的功用宣告结束。
万寿寺寺院原有的僧众按寺规延续香火，诵经礼佛，靠清朝遗留的庙产、地产维系。随着社会上剃度出家的人数减少，寺院僧众也逐渐减少，到解放前，僧人仅剩十余人。寺院组织的庙会活动最初还维持着一定规模，随着政局变迁、战事四起，庙会也逐渐冷清下来，直至销声匿迹。
民国期间的万寿寺在行政区划上有了明确的归属，按行政地域划分，万寿寺归属西郊区西直门外分署第七派出所，地址为长河广源闸二十六号。
清末的万寿寺行宫仍为清内务府管辖，这里曾被清内务府租赁给北洋政府作办公场所，后来曾用作“一战”战俘营。
后来，这里先后被用做学校、疗养院、缉毒所。
1929年至1936年期间，京师四郊游缉队第二大队统领部及其步兵二营驻守于万寿寺行宫。
1931年，日本侵占东北以后，东北的流亡同胞流落到京，由爱国流亡组织在万寿寺西路内开办流亡学校。同时在西路还举办育幼园。
1932年，北京五台山普济佛教总会在万寿寺西路开办育幼院。
1934年，东三省旅平同乡在寺中前部创高中学校，收容难民子女学生多达二百余人。
1937年4月28日，因电线短路，万寿阁被火焚毁。
1945年至1949年国内解放战争期间，万寿寺为国民党陆军某军部驻地。
1949年2月，寺院由中国人民解放军总参谋部接管并作为某部驻地。
同年3月，中央军委幼儿园迁入西路，由洛杉矶保育院（原延安保育院）占用。这样，在新中国诞生之前，万寿寺已由人民军队和中央育幼单位所占用。
新中国成立后，人民政府对万寿寺僧人给予了关照，规定寺院房舍可以出租，用以维持生计，僧人生活得到很大改善。据万寿寺最后一任住持悟性法师回忆，1957年他响应政府号召，带头把他住持管理的万寿寺等七处寺院庙产交付给政府管理。从此，万寿寺佛殿中的香火不再燃起。寺院佛殿中的造像除大延寿殿之外，分别于1958年前后和1967年左右被迁往它处或拆毁。
六十年代初，万寿寺中路开办了实验学校。
1962至1963年间，苏联专门在此开办幼教试点。
1967年驻在万寿寺的学校撤出，这里交由军队进驻管理。
寺院建筑在七十年代以后发生了局部变化，因建设中国剧院等设施，寺后塔院全部拆除。
1979年2月，万寿寺作为保存较为完整的明清皇家建筑群，被北京市人民政府列为北京市级重点文物保护单位。
但是，万寿寺古建筑长期以来为非文物管理部门占、使用，招致这座古建筑存在诸多不利保护的因素。1982年2月，终因管理不善，导致万寿寺西路一场大火灾。这场火灾焚毁了行宫前正殿及其所属配殿、游廊、垂花门等建筑。
1984年，北京市文物事业管理局接收了寺院中路。此时的万寿寺建筑群自光绪重修后以历经近一个世纪，万寿寺在缺乏合理使用和维护的情况下，已满目疮痍，建筑损毁、坍塌现象十分严重。
北京市人民政府决定拨巨款重修建筑群中路。
1985年3月，市政府正式批准在寺院中路成立北京艺术博物馆筹备处。与此同时，万寿寺中路一期修缮工程开始。一期工程先将寺院一进和二进院进行了修缮。1986年5月，一期修缮工程结束，为了尽快向游人提供参观、娱乐场所，本着“边修缮、边开放”的原则，北京艺术博物馆筹备处对社会局部开放，正式接待国内外游人和观众。一期工程开放的展区有鼓楼、天王殿、大延寿殿配殿等展区。
1987年8月，万寿寺二期修缮工程基本完成，北京艺术博物馆正式成立，并向社会开放假山以前的全部展区。
二期工程包括中路大延寿殿到大禅堂之间建筑的修缮，其中万寿阁遗址处开辟圆形广场，其四周营造绿化地带，栽种各种名贵花木，辟为寺院内的园林式景区。两侧建筑辟为长廊式展厅，大禅堂做为绘画展厅。
二期工程还对最后一进院落进行了修缮。
1992年，万寿寺三期修缮工程开始，假山区域开辟为新的展区。
1994年，万寿寺三期修缮工程完成，中路全面对社会开放。
2002年初至2003年，万寿寺经历第四次全面修缮，工程重点是复建万寿阁。同时，全面油漆彩绘寺院中路建筑，全面修缮西路行宫，恢复被焚毁的前正殿建筑及其院落。