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。