การจัดตั้งมณฑลเทศาภิบาลเริ่มจากหัวเมืองชั้นในก่อน แล้วขยายไปยังหัวเมืองประเทศ-ราชเริ่มตั้งแต่ พ.ศ. ๒๔๓๗ จนถึง พ.ศ. ๒๔๔๙ จึงทั่วพระราชอาณาจักร มณฑลพายัพจัดเป็นมณฑลเทศาภิบาล พ.ศ. ๒๔๔๒ อย่างไรก็ตามดินแดนส่วนนี้ได้รับการปฏิรูปมาตั้งแต่ก่อนหน้าเป็นมณฑลเทศาภิบาลแล้ว (พ.ศ. ๒๔๒๗ – ๒๔๔๒) การจัดการปกครองแบบมณฑลเทศาภิบาลเป็นการยกเลิกฐานะหัวเมืองประเทศราชลานนาไทย มาเป็นดินแดนส่วนหนึ่งในพระราชอาณาจักรอย่างแท้จริง
รูปแบบของมณฑลเทศาภิบาลได้ปรับปรุงให้สอดคล้องกับสภาพการปกครองแบบเดิม โดยกำหนดให้แต่ละเมืองมีคณะกรรมการบริหารเรียกว่าเค้าสนามหลวง ประกอบด้วยข้าหลวงประจำเมือง เจ้าเมือง และข้าหลวงผู้ช่วย ซึ่งตำแหน่งข้าหลวงประจำเมืองเชียงใหม่ คือ พระยาอุดมพงษ์เพ็ญสวัสดิ์ (ม.ร.ว.ประยูร อิศรศักดิ์) เจ้าอุปราช (เจ้าอินทวโรรสสุริยวงษ์) รั้งตำแหน่งเจ้าเมือง และขุนรัฐกิจข้าหลวงผู้ช่วย ด้านอำนาจหน้าที่เป็นของข้าหลวงประจำเมือง โดยเจ้าเมืองไม่มีหน้าที่ปกครอง บ้านเมืองโดยตรง ได้แต่ยกย่องให้เกียรติในนามเท่านั้น อย่างไรก็ตามเจ้าอุปราชซึ่งรั้งตำแหน่งเจ้าเมืองเชียงใหม่ไม่พอใจการเข้าควบคุมของรัฐบาล จึงเรียกร้องให้ข้าหลวงเทศาภิบาลลดอำนาจของข้าหลวงประจำเมืองลง และขอมีอำนาจกลับคืนดังเดิมแต่ไม่ได้ผล
นอกจากจัดตั้งเค้าสนามหลวงเป็นคณะกรรมการบริหารสูงสุดแล้ว ยังคงรูปแบบเสนา ๖ ตำแหน่งไว้ตามเดิม แม้ว่าจะไม่เหมาะสมกับกาลสมัยนักก็ตาม แต่เพื่อไม่ให้เจ้านายบุตรหลานซึ่งดำรงตำแหน่งเสนาต่างๆ ไม่พอใจการดำเนินงานของรัฐบาล และรัฐบาลใช้วิธีค่อยๆ เลิกเสนา ๖ ตำแหน่งไป โดยจัดข้าราชการจากส่วนกลางเข้าดำรงตำแหน่งกรมการเมืองต่างๆ แทน เช่น ปลัดเมือง ยกกระบัตร จ่าเมือง และสัสดี เป็นต้น
ในด้านผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจรัฐบาลเข้าควบคุมมากยิ่งขึ้น โดยกำหนดให้เจ้าเมืองต้องเสียภาษีที่ดินเช่นเดียวกับราษฎรทั่วไป วิธีการนี้ทำให้รัฐบาลมีรายได้เพิ่มขึ้นเกือบ ๑๐ เท่า เพราะที่ดินส่วนใหญ่เป็นของเจ้านายเมืองเหนือ และรัฐบาลก็ได้จัดสรรรายได้ของเจ้าเมืองออกเป็นเงินเดือน เงินส่วนแบ่งค่าตอไม้ และเงินส่วนแบ่งค่าแรงแทนเกณฑ์ รวมแล้วปีหนึ่งเจ้าอินทวโรรสสุริยวงษ์จะมีรายได้ไม่น้อยนักคือ ประมาณ ๒๔๐,๒๗๗ บาท แต่รายได้นี้ไม่คงที่ขึ้นอยู่กับจำนวนเงินค่าตอไม้และเงินแทนเกณฑ์ซึ่งเก็บได้ไม่แน่นอน และในปี พ.ศ. ๒๔๕๑ ได้ขอรับพระราชทานผลประโยชน์เป็นเงินเดือนๆ ละ ๒๐,๐๐๐ บาท อย่างไรก็ตามในระยะแรกที่จัดสรรรายได้ดังกล่าว เจ้าอินทวโรรสสุริยวงษ์ไม่พอใจนักแต่ก็ต้องยอมรับการเปลี่ยนแปลง
ส่วนราษฎรก็ได้รับการกระทบกระเทือนจากการปฏิรูประบบการเก็บภาษีอากรเช่นเดียวกัน โดยเฉพาะการเก็บเงินแทนเกณฑ์จากชายฉกรรจ์จำนวน ๔ บาทต่อปี ซึ่งมักจะเสียเงินแล้วยังถูกเกณฑ์แรงงานเสมอ โดยทางการไม่จ่ายค่าตอบแทนให้ ซึ่งตามปกติกระทรวงมหาดไทยกำหนดให้จ่ายค่าตอบแทนในอัตราวันละ ๒ สลึง ราษฎรจึงเดือดร้อนและไม่พอใจข้าราชการจากส่วนกลางที่กวดขันเกณฑ์แรงงานสร้างถนนและสะพานทั้งในเมืองและนอกเมือง
หลังจากจัดการปกครองแบบเทศาภิบาลผ่านไป ๓ ปี ปัญหาต่างๆ ก็ตามมา เนื่องจากความไม่พอใจของราษฎรและเจ้านายเมืองเหนือผู้เสียอำนาจและผลประโยชน์และปัญหาการขาดแคลนข้าราชการที่มีความรู้ความสามารถในทุกระดับ โดยเฉพาะตำแหน่งนายแขวง (นายอำเภอ) ซึ่งรัฐบาลกำหนดว่าต้องเป็นข้าราชการจากส่วนกลางนั้นมีจำนวนน้อยมาก ดังนั้นแต่ละแขวงที่จัดตั้งขึ้นจึงมีพื้นที่กว้างขวางมาก ทั้งการคมนาคมก็ยากลำบากนายแขวงจึงดูแลไม่ทั่วถึง ซ้ำนายแขวงส่วนหนึ่งไม่เข้าถึงประชาชน ดูหมิ่นชาวพื้นเมืองและใช้อำนาจกดขี่เกณฑ์แรงงานจนเกินไป ปัญหาเหล่านี้มีอยู่ทั่วไปตามเมืองต่างๆ ในมณฑลพายัพ แต่ที่ลุกลามเป็นการต่อต้านครั้งใหญ่เกิดที่เมืองแพร่ในเหตุการณ์กบฏเงี้ยว พ.ศ. ๒๔๔๕ พวกกบฏเป็นกองโจรเงี้ยวที่ได้รับการสนับสนุนจากเจ้านายเมืองแพร่ ครั้นพวกกบฏ ยึดเมืองสำเร็จ เงี้ยวชาวเมืองและราษฎรได้ร่วมมือกับโจรเงี้ยวเข่นฆ่าข้าราชการจากส่วนกลางถึง ๒๐ กว่าคน
สำหรับเมืองเชียงใหม่มีการต่อต้านเช่นเดียวกันซึ่งเกิดก่อนกบฏเงี้ยวเมืองแพร่แต่ไม่รุนแรงเท่า การต่อต้านการเกณฑ์แรงงานของราษฎรในเมืองเชียงใหม่เท่าที่พบหลักฐานจากหอจดหมายเหตุแห่งชาติครั้งแรกวันที่ ๑๘ มีนาคม ปลายปี พ.ศ. ๒๔๔๔ โดยพระยานริศรราชกิจโทรเลขแจ้งทางกรุงเทพฯ ว่า “ราษฎรแลแก่บ้านแขวงเมืองเชียงใหม่ร้องว่าเค้าสนามหลวงได้กะเกณฑ์ทำถนนหนทาง แลว่าได้เสียเงินแทนเกณฑ์แล้วยังถูกเกณฑ์อีก” และวันที่ ๒๓ เมษายน ต้นปี พ.ศ. ๒๔๔๕ ราษฎรแขวงแม่วังและแขวงเกืองหลายร้อยคนขัดขืนไม่ยอมทำถนน ความรุนแรงของการประท้วงไม่ยอมทำตามคำสั่งของทางราชการเกิดขึ้นอีกเมื่อวันที่ ๒๘ พฤษภาคม พ.ศ. ๒๔๔๕ ณ ที่ทำการแขวงแม่งัด มีราษฎรประมาณ ๖๐๐ คน พร้อมอาวุธมีดดาบและไม้ พากันไปชุมนุมประท้วงกรมการแขวงแม่งัดและได้เกิดการปะทะกัน ตำรวจซึ่งอยู่ร่วมกับกรมการแขวงแม่งัดจำนวน ๑๐ นาย ใช้ปืนยิงถูกราษฎร ผลราษฎรตาย ๖ คน บาดเจ็บ ๒ คน ส่วนพวกกรมการแขวงบาดเจ็บ ๒ คน
ผลของกบฏเงี้ยวเมืองแพร่เปิดโอกาสให้รัฐบาลเข้าจัดการปกครองมณฑลพายัพได้อย่างเต็มที่ โดยส่งกำลังทหารเข้าปราบพวกกบฏอย่างเฉียบขาด พร้อมกับลงโทษเจ้านายเมืองแพร่ด้วยการปลดออก แล้วให้ข้าราชการจากส่วนกลางดำรงตำแหน่งใหม่ทั้งหมด ทั้งนี้เพื่อเป็นตัวอย่างให้เมืองอื่นๆ เห็นว่าการต่อต้านรัฐบาลไม่มีทางสำเร็จ นอกจากยอมสนับสนุนแต่โดยดี หลังจากเกิดกบฏเงี้ยวท่าทีของเจ้านายเมืองเหนือจึงยอมรับอำนาจรัฐทุกอย่าง
ในการดำเนินงานปฏิรูปการปกครองช่วงหลังกบฏเงี้ยวมีพระยาสุรสีห์วิศิษฐ์ศักดิ์ (เชย กัลยาณมิตร) (พ.ศ. ๒๔๔๕ – ๒๔๕๘) เป็นข้าหลวงเทศาภิบาลซึ่งเป็นผู้ที่มีความสามารถสูง พระยา สุรสีห์วิศิษฐ์ศักดิ์เริ่มต้นแก้ไขปัญหาบุคลากร โดยคัดเลือกข้าราชการที่มีความรู้ความสามารถและเข้าถึงราษฎร นับว่าเป็นสิ่งสำคัญมาก นอกจากนั้นก็ใช้นโยบายผ่อนปรนไม่เกณฑ์แรงงานจนเกินไป ขณะเดียวกันก็สร้างความเจริญให้แก่ท้องถิ่น ทั้งด้านการศึกษา การไปรษณีย์โทรเลข การสาธารณสุข และการซ่อมสร้างถนนและสะพานอย่างมากมาย
ส่วนผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจของเจ้าเมืองเชียงใหม่ปรากฏว่าเจ้าอินทวโรรสสุริยวงษ์ของ-รับเป็นเงินเดือนเพียงอย่างเดียว โดยรัฐบาลกลางใช้วิธีคำนวณจากรายได้เท่าที่ผ่านมาโดยเฉลี่ยแล้วกำหนดเป็นเงินเดือนซึ่งได้เดือนละ ๒๐,๐๐๐ บาท ส่วนเจ้าแก้วนวรัฐเจ้าเมืองคนสุดท้ายได้เงินเดือนๆ ละ ๑๐,๐๐๐ บาท ต่อมาเพิ่มเป็น ๑๒,๐๐๐ บาท เงินเดือนนี้ถือเป็นการพระราชทานเฉพาะบุคคลเมื่อสิ้นชีวิตจะงดจ่ายทันที และการให้ผลประโยชน์เป็นเงินเดือนก็เท่ากับว่าเจ้าเมืองมีฐานะเหมือน ข้าราชการทั่วไป นับเป็นความสำเร็จที่จะนำไปสู่การยกเลิกตำแหน่งเจ้าเมืองประเทศราชในเวลาต่อมา
พระยาสุรสีห์วิศิษฐ์ศักดิ์จัดการปกครองอยู่ ๑๓ ปี (พ.ศ. ๒๔๔๕ – ๒๔๕๘) ก็ประสบความสำเร็จเป็นที่พอใจของรัฐบาลยิ่ง โดยเฉพาะด้านการศึกษาเป็นช่วงที่เกิดการปฏิรูปการศึกษาในล้านนา ราษฎรนิยมเรียนหนังสือไทยกันมาก การผสมกลมกลืนให้มีความรู้สึกเป็นพลเมืองไทยค่อยประสบความสำเร็จเป็นลำดับ ส่วนเจ้าเมืองเชียงใหม่และเจ้านายบุตรหลานให้การสนับสนุนการดำเนินงานของรัฐบาลทั้งด้านการศึกษา และการทำนุบำรุงบ้านเมือง
มณฑลพายัพในช่วง พ.ศ. ๒๔๕๘ – ๒๔๖๘ จะจัดเป็นระเบียบแบบแผนเช่นเดียวกับมณฑลภายในทุกประการ และช่วงนี้มีการจัดตั้งมณฑลมหาราษฎร์ประกอบด้วย ลำปาง แพร่ น่าน แล้วรวมกับมณฑลพายัพเป็นมณฑลภาคพายัพ อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในเชียงใหม่จะเกิดหลังจากทางรถไฟสายเหนือมาถึงปลายทางที่เชียงใหม่ในปี พ.ศ. ๒๔๖๔ ซึ่งทำให้เศรษฐกิจเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว มีการขยายเนื้อที่เพาะปลูกข้าวและพืชเศรษฐกิจอื่นๆ เพื่อส่งเป็นสินค้าออก และสินค้าจากส่วนกลางก็เข้ามาเชียงใหม่มากขึ้น รวมทั้งวิทยาการความเจริญในทุกๆ ด้านด้วย
การปกครองเมืองเชียงใหม่ช่วง พ.ศ. ๒๔๖๘ – ๒๔๗๖ เป็นการปรับปรุงช่วงสุดท้ายก่อนยกเลิกระบบเทศาภิบาล ได้เริ่มเมื่อรัชกาลที่ ๗ ขึ้นครองราชย์ ทรงยกเลิกระเบียบแบบแผนต่างๆ ที่จัดขึ้นในช่วง พ.ศ. ๒๔๕๘ – ๒๔๖๘ ทรงยุบเลิกตำแหน่งและหน่วยงานที่ไม่เหมาะสมกับสภาวะเศรษฐกิจตกต่ำ เช่น ยุบมณฑลมหาราษฎร์เข้ากับมณฑลพายัพ ยุบเลิกตำแหน่งเสนาทั้ง ๖ ซึ่งว่างมานานแล้ว และทรงดำเนินนโยบายยกเลิกตำแหน่งเจ้าเมืองโดยเด็ดขาด ซึ่งกำหนดว่านับตั้งแต่ พ.ศ. ๒๔๖๙ เป็นต้นไปหากตำแหน่งเจ้าเมืองใดว่างลงจะไม่โปรดเกล้าฯ แต่งตั้งขึ้นอีก ส่วนเจ้าเมืองที่มีชีวิตอยู่ก็ได้เงินเดือนจนถึงแก่พิราลัย ซึ่งเจ้าแก้วนวรัฐเจ้าเมืองเชียงใหม่องค์สุดท้ายถึงแก่พิราลัยใน พ.ศ. ๒๔๘๒ จึงเป็นการสิ้นสุดตำแหน่งเจ้าเมืองเชียงใหม่ และหลังจากคณะราษฎร์เปลี่ยนแปลงการปกครอง พ.ศ. ๒๔๗๕ ได้ยกเลิกระบบมณฑลเทศาภิบาลลงใน พ.ศ. ๒๔๗๖ มณฑลพายัพจึงสลายตัว ส่วนเมืองเชียงใหม่ซึ่งเคยเป็นศูนย์กลางของอาณาจักรล้านนาไทยในอดีตก็มีฐานะเป็นเพียงจังหวัดเช่นเดียวกับจังหวัดอื่นๆ สืบมาจนปัจจุบัน