Во второй половине XIX века в Ольвиополе и Голте появились школы и гимназии. В конце XIX века в Ольвиополе проживало свыше 5,8 тыс. человек, в Голте – более 6,5 тыс. человек, в Богополе – более 7 тыс. человек и все три населенных пункта вместе составляли один торгово-промышленный центр, однако до конца второго десятилетия ХХ века все они административно были разъединены.
В 1919 году Ревкомы и профсоюзы предложили объединить три населенных пункта в один город, против которого не возражали жители данных поселений, однако не было согласия относительно названия города. Решили созвать объединенный митинг трудящихся, который состоялся 1 мая 1919 года на площади перед больницей Ольвиополя. Было принято решение об объединении трех частей в один город и назвать его в честь Международного дня солидарности трудящихся – Первомайск.
В 1823 году Первомайск стал окружным центром Одесской губернии, с июня 1930 года стал центром района, а в 1938 году был отнесен к разряду городов областного подчинения. В 1939 году в нем проживало 33 тыс. человек.
Во время Великой Отечественной войны, 3 августа 1941 года Первомайск был оккупирован немецкими войсками. В годы оккупации в Первомайске действовало 6 подпольных групп, которые поддерживали тесную связь не только между собой, но и с партизанскими отрядами «Южный» и «Буревестник», располагавшимися в окрестных лесах. Подпольщики захватывали оружие из немецких эшелонов, помогали бежать из плена советским солдатам, печатали и распространяли листовки, собирали и переправляли партизанам оружие, продовольствие, медикаменты.
22 марта 1944 года Первомайск был освобожден от фашистских оккупантов.
В феврале 1954 года Первомайск вошел в состав Николаевской области.
В послевоенные годы Первомайск стал крупным промышленным центром, основными отраслями которого стало машиностроение, легкая, пищевая и перерабатывающая промышленность. В городе были введены в эксплуатацию сахарный завод (1955г), молочно-консервный комбинат (1956г), мебельная фабрика (1961г), в конце 1960-х годов – камнедробильный завод «Гранит», хлебозавод и овощеконсервный завод, а в 1976 году было завершено строительство мясокомбината – одного из крупнейших в Украине.
ОАО «Первомайскдизельмаш» (до 1993 года машиностроительный завод имени 25 Октября, основанный в 1875 году) – ведущий производитель в Украине среднеоборотных судовых дизелей и дизель-генераторов, стационарных дизель-электрических, газодизель-электрических агрегатов, газовых двигатель-генераторов мощностью от 300 до 800 квт, а также когенерационных установок на их базе.
Завод «Фрегат», вступивший в эксплуатацию в 1969 году, занимается сельскохозяйственным машиностроением, производством оборудования для нефтегазового комплекса, а также выпуском оцинкованных металлоконструкций.
