日本當局於1896年頒布「台灣礦業規則」，規定只有日本國民才能經營礦業，剝奪了台灣本地人的採礦權利。同年10月，台灣總督府將基隆山的礦區，以基隆山的南北軸線為界，分為東區的金瓜石礦山及西區的瑞芳礦山（即九份礦山），礦權則分別由日本商人田中長兵衛的「田中組」及藤田傳三郎的「藤田組」所取得。當時日本國內的礦業發展已有一定水準，田中長兵衛在擁有金瓜石的採礦權後，加上其本身在日本就擁有礦產事業，田中氏即從日本引進先進的採礦技術、器具和大量的技術人員，並建立了從採礦到製煉的一貫體系，奠定了金瓜石礦山的發展基礎。田中組除了在大金瓜露頭進行開採外，也開始向下延伸開挖礦坑，由於礦坑位於金瓜石本山，故取名為「本山礦坑」（總共開挖九坑），成為金瓜石礦區的重要採礦來源。1904年，本山三號坑挖掘到硫砷銅礦（Enargite），隨著礦坑的逐漸向下挖掘，礦床開鑿出來的銅礦產量逐漸增加，金瓜石也從金銀礦山轉變為一座金銀銅礦山。隨著日後新礦脈的一一發現，使金瓜石被冠上「日本首一金礦山」的盛名。1905年，在水湳洞建設煉銅廠，處理「長仁礦床」採得的銅礦。

金瓜石也曾一度遇上發展瓶頸。第一次世界大戰後，全球經濟蕭條，金瓜石礦區也受到波及，不僅煉製廠被迫關閉，只能依靠向日本本土輸出礦砂來維持營運，之後礦區的經營權也易手至另一日商後宮信太郎手中。在後宮信太郎的經營之下，金瓜石礦區的業績逐漸復甦，在日本礦業株式會社（現今日礦金屬（日語：日鉱金属）的前身）於1933年買下金瓜石礦區的經營權後，更大力擴充礦區內的設備，在金瓜石山下的水湳洞山坡上興建了新式的浮選礦場（即今日的十三層遺址），並另建了水湳洞直通基隆八斗子運礦場的輕便鐵路－金瓜石線（今臺鐵深澳線前身）。這些嶄新而完善的設施，加上又有新礦脈的發現，金瓜石礦區的黃金產量年年提昇，亦成立臺灣鑛業株式會社處理相關業務，到了1938年更達到了將近七萬兩的最高峰，使當時的金瓜石被譽為是「亞洲第一貴金屬礦山」，更曾聚集了八萬人在此一圓淘金夢，小小的金瓜石一躍成為人口稠密、熱鬧非凡之地，與鄰近的九份互相輝映。

太平洋戰爭爆發後，日本的戰勢逐漸吃緊，非國防物資的金礦不被重視，金瓜石被迫改以開採銅礦為主；自1942-1945年間，日軍於此地設立金瓜石米英捕虜勞役所（臺語稱凸鼻仔寮），關押一千餘名以大英國協成員國為主的同盟國軍戰俘，這批盟軍戰俘的勞役工作即為採掘銅礦，由於工作條件甚差，管理嚴苛且水土不服等因素，不少戰俘命喪於此。由於美軍於1944年下半年起逐漸掌握臺灣上空制空權，各類工業生產活動受到嚴重影響，在日本於1945年投降之前，金瓜石的採礦事業幾近停擺，同盟國戰俘亦集體遷移至新店看管。

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