中华人民共和国成立后，今楚雄州境内分属滇西人民行政专员公署和滇北人民行政专员公署，后又分置楚雄、武定2个专区。1950年设楚雄专区，专署驻楚雄县，辖楚雄（驻鹿城镇）、牟定（驻共和镇）、盐兴（驻黑井镇）、广通（驻敦仁镇）、禄丰（驻金山镇）、双柏（驻云龙镇）、镇南（驻龙川镇）、姚安（驻栋川镇）、盐丰（驻石羊镇）、大姚（驻金碧镇）、永仁（驻永定镇）等11县。1950年设武定专区，专署驻武定县，辖武定（近城镇）、昆明（昆明市）、安宁（连然镇）、罗次（碧城镇）、富民（永定）、禄劝（屏山镇）、元谋（元马镇）等7县。1951年2月1日，西南军政委员会批准：武定专区的昆明县划归昆明市；武定专区辖6县。
1953年原武定专区所属武定（驻近城镇）、禄劝（驻屏山镇）、富民（驻永定镇）、安宁（驻连然镇）、罗次（驻碧城镇）、元谋（驻元马镇）6县划入楚雄专区。广通县驻地迁一平浪。楚雄专区辖楚雄、镇南、牟定、姚安、大姚、盐丰、永仁、元谋、武定、罗茨、禄丰、广通、盐兴、双柏、禄劝、富民、安宁17县。1954年6月30日，政务院批准：镇南县改称南华县（驻龙川镇）。1956年11月16日，国务院全体会议第40次会议决定：撤销安宁县，将安宁县的行政区域全部划归昆明市。楚雄专区辖16县。
1957年10月18日，国务院批准全体会议第58次会议决定：设置楚雄彝族自治州，撤销楚雄专署。自治州的行政区域为原楚雄专区的楚雄、双柏、广通、盐兴、禄丰、富民、罗次、元谋、武定、禄劝、永仁、盐丰、大姚、姚安、南华、牟定等16县。自治州人民委员会驻楚雄县城。1958年4月15日，楚雄彝族自治州正式成立。1958年4月4日，国务院全体会议第74次会议决定：撤销盐兴县，将原盐兴县的行政区域合并于广通县。1960年9月22日，国务院批准：将楚雄彝族自治州的富民县划归昆明市领导。1960年9月13日，国务院全体会议第103次会议通过：撤销南华县，将原南华县的行政区域并归楚雄县（1958年10月20日撤并）；撤销罗次、广通2县，将原罗次、广通2县的行政区域并归禄丰县（1958年10月8日撤并）；撤销永仁、盐丰、姚安3县，将原永仁、盐丰、姚安3县的行政区域并归大姚县（1958年10月15日撤并）。
1958年9月双柏县并入楚雄县为区；同年10月15日，牟定县并入楚雄县，为牟定区；1959年11月复置双柏县；同年11月5日复设牟定县。楚雄州辖8县。1958年10月，元谋县并入武定县。1959年11月，元谋由武定县分出，恢复县级建制。1962年3月27日，国务院全体会议第115次会议决定：设立姚安县，以合并于大姚县的原姚安县行政区域为姚安县的行政区域；设立永仁县，以合并于大姚县的原永仁县行政区域为永仁县的行政区域；恢复南华县，以合并于楚雄县的原南华县行政区域为南华县的行政区域。同年双柏县由云龙镇迁驻妥甸镇。楚雄州辖11县。1983年9月9日国务院【国函字189号】批复：撤销楚雄县，设立楚雄市（县级）。以楚雄县的行政区域为楚雄市的行政区域；楚雄彝族自治州的禄劝县划归昆明市管辖。10月，禄劝县划归昆明市。其后，全州辖楚雄市和双柏、牟定、南华、姚安、大姚、永仁、元谋、武定、禄丰9县。1997年，楚雄彝族自治州面积29258平方千米，人口约242万人。州人民政府驻楚雄市。辖楚雄市和南华、姚安、双柏、牟定、大姚、永仁、元谋、武定、禄丰9县。
2000年第五次人口普查，楚雄彝族自治州常住总人口2542530人，其中：楚雄市503683人，双柏县153403人，牟定县195322人，南华县227970人，姚安县199071人，大姚县279838人，永仁县103606人，元谋县202779人，武定县262601人，禄丰县414258人。
2001年末，楚雄州辖楚雄、双柏、牟定、南华、姚安、大姚、永仁、元谋、武定、禄丰10个县（市），128个乡（镇），其中镇42个、乡86个（民族乡6个），1132个村（居）委会，11501个村民小组。全州总面积29258平方千米，总人口2523623人，其中农业人口2179861人，占人口总数的86.38％；非农业人口343762人，占人口总数的13.62％。全州有26个少数民族，其中定居百年以上的有彝、栗粟、苗、回、傣、白、哈尼等民族。少数民族总人口有793824人，占人口总数的31.46％，其中万人以上的少数民族有6个：彝族人口641688人，占人口总数的25.43％，占少数民族人口的80.84％；傈僳族人口50883人，占少数民族人口的6.41％；苗族人口39171人，占少数民族人口的4.93％；回族人口20129人，占少数民族人口的2.54％；傣族人口19581人，占少数民族人口的 2.47％；白族人口14495人，占少数民族人口的1.83％。
2005年末，全州总户籍人口2566622人，其中非农业人口360850人。少数民族人口837615人，占总人口的32.6%，其中彝族人口679922人，占总人口的26.5%，占少数民族人口的81.2%。万人以上少数民族有彝族（679922人）、傈僳族（50778人）、苗族（41058人）、回族（20324人）、傣族（20647人）和白族 （15418人）。
2006年底，全州辖1个市、9个县；53个镇、46个乡、4个民族乡；45个居委会、1048个村委会。
2010年第六次人口普查，楚雄彝族自治州常住总人口2684169人，其中：楚雄市588620人，双柏县159867人，牟定县208726人，南华县236133人，姚安县197676人，大姚县273315人，永仁县109304人，元谋县215795人，武定县271963人，禄丰县422770人。