Le caractère de Villennes se modifie rapidement avec le développement du chemin de fer.

Les parisiens deviennent nombreux à passer les fins de semaine au bord de la Seine, certains pour s'adonner à la pêche ou pratiquer le canotage ; une dizaine de restaurants s'y établissent, la plupart en bord de Seine, complétant les deux premiers qui existaient déjà dans le centre du village.

Villennes en 1900 : alors que le village se transforme, la principale activité reste l'agriculture.

Le premier bureau de poste, ouvert en 1890, est transféré en 1907 à l'emplacement où il se trouve toujours. Cette même année, la commune prend le nom de Villennes sur Seine afin d'éviter les confusions, pour la distribution du courrier, avec d'autres localités portant le même nom. Un réseau téléphonique est installé dans le village à partir de 1896.

L'accroissement important du nombre de voyageurs nécessite la construction d'une nouvelle gare, petite mais élégante, celle que les Villennois actuels fréquentent toujours, inaugurée en mai 1911. Une place, appelée alors Place de la Gare, est alors créée, pour lui donner accès.

Des Parisiens fortunés font construire une villa dans le village, à l'occasion des lotissements successifs de plusieurs propriétés : le parc du château à partir de 1893, puis la prairie de la Nourrée, au début du siècle suivant. Parmi les propriétaires de ces nouvelles résidences, il y a de nombreux artistes, littérateurs, peintres et gens de théâtre ainsi que des sportifs.

La guerre de 1914-1918 met fin provisoirement à cette période heureuse. Les restaurateurs sont plusieurs fois réquisitionnés pour nourrir le régiment qui est cantonné dans le village ; les cultivateurs doivent mettre à la disposition des armées presque toutes leurs productions de céréales, qu'ils ont de grandes difficultés à récolter, en l'absence des hommes mobilisés. Alors que la commune vit encore largement de l'agriculture, l'alimentation y est sévèrement rationnée. Un monument aux morts est érigé en 1919 pour rendre hommage aux 42 villennois morts pour la France.

Dès la fin de la guerre, les Parisiens reviennent nombreux à Villennes, dont la population d'un millier d'habitants double l'été. De nombreuses villas se construisent, suite au lotissement du Bois des Falaises, en 1908, puis à celui de l'île de Villennes, à partir de 1913. Cette année, la commune de Villennes-sur-Seine est classée comme station de tourisme, "en raison de la transformation complète de cette localité qui est devenue un centre de villégiature". Le canotage, la pêche et les baignades dans la Seine se développent et de nombreuses fêtes nautiques ont lieu. Il y a alors plus de 100 embarcations, dont certaines sont louées par la dizaine de restaurants dont les terrasses animent les bords de Seine.

L'île de Platais, restée "naturelle" et accessible uniquement par bateau, accueille, à partir de 1927 pendant la belle saison, une nouvelle population logée sous des toiles de tentes puis des bungalows en fibrociment, dans le centre naturiste de Physiopolis.

Le confort s'améliore : le réseau de distribution d'eau, existant depuis 1910, se développe ; l'électricité distribuée à partir de 1923, remplace en partie le gaz disponible dans la commune depuis 1896. Le village agricole et viticole est devenu un lieu de villégiature, où les résidences secondaires se multiplient jusqu'à la deuxième guerre mondiale.

Villennes est occupé dès le début du conflit, l'ennemi se logeant dans les plus belles propriétés. Lors de la Libération, les habitants sont les témoins des tirs d'artillerie des troupes américaines, postées sur le coteau, vers les allemands situés sur l'autre rive de la Seine, avant de céder à l'allégresse générale et de recenser les 15 morts de cette guerre.

L'hostellerie de la Nourrée, puis plus tard la Villa Louise cèdent la place à des résidences. Des immeubles d'habitation sont construits sur des terrains agricoles proches de la ferme de Marolles. Une nouvelle population vient s'installer, de manière permanente, dans les villas et les maisons de vacances. Villennes devient une cité résidentielle, qui toutefois conserve le charme de son passé.