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Victor Stafusa
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Seguindo a sugestão do colega Jackson Emmerich, uma ideia é usar a API do site da viacep.com.br.

A API deles pode ser usada dessas duas formas, dependendo do formato desejado para a saída:

https://viacep.com.br/ws/[cep-a-pesquisar]/[formato]
https://viacep.com.br/ws/[estado]/[cidade]/[string-de-busca]

Os formatos aceitos são o json, xml, jsonp e piped (não-documentado).

Nota: Quando esta resposta foi originalmente escrita em 2016, havia também o formato querty, mas a API não os aceita mais. Se tiver interesse, consulte o histórico desta resposta.

Busca por CEP

Eis aqui um exemplo, para o CEP 76.821-348, em JSON:

https://viacep.com.br/ws/76821348/json
{
  "cep": "76821-348",
  "logradouro": "Rua Thales Benevides",
  "complemento": "",
  "bairro": "Rio Madeira",
  "localidade": "Porto Velho",
  "uf": "RO",
  "unidade": "",
  "ibge": "1100205",
  "gia": ""
}

O mesmo exemplo para XML:

https://viacep.com.br/ws/76821348/xml
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<xmlcep>
    <cep>76821-348</cep>
    <logradouro>Rua Thales Benevides</logradouro>
    <complemento/>
    <bairro>Rio Madeira</bairro>
    <localidade>Porto Velho</localidade>
    <uf>RO</uf>
    <unidade/>
    <ibge>1100205</ibge>
    <gia/>
</xmlcep>

Outro exemplo, para o CEP 01.001-000:

http://viacep.com.br/ws/01001000/json
http://viacep.com.br/ws/01001000/xml
{
  "cep": "01001-000",
  "logradouro": "Praça da Sé",
  "complemento": "lado ímpar",
  "bairro": "Sé",
  "localidade": "São Paulo",
  "uf": "SP",
  "unidade": "",
  "ibge": "3550308",
  "gia": "1004"
}
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<xmlcep>
    <cep>01001-000</cep>
    <logradouro>Praça da Sé</logradouro>
    <complemento>lado ímpar</complemento>
    <bairro>Sé</bairro>
    <localidade>São Paulo</localidade>
    <uf>SP</uf>
    <unidade></unidade>
    <ibge>3550308</ibge>
    <gia>1004</gia>
</xmlcep>

Para o formato JSONP, basta adicionar ?callback=nome_da_funcao na URL terminada em JSON. Por exemplo:

https://viacep.com.br/ws/01001000/json?callback=foo

Dá como saída:

foo({
  "cep": "01001-000",
  "logradouro": "Praça da Sé",
  "complemento": "lado ímpar",
  "bairro": "Sé",
  "localidade": "São Paulo",
  "uf": "SP",
  "unidade": "",
  "ibge": "3550308",
  "gia": "1004"
});

O formato piped (campos separados por | e chave separada de valor por :), é assim:

https://viacep.com.br/ws/01001000/piped
cep:01001-000|logradouro:Praça da Sé|complemento:lado ímpar|bairro:Sé|localidade:São Paulo|uf:SP|unidade:|ibge:3550308|gia:1004

Busca por endereço

Para a busca por endereços, o formato é quase o mesmo que a busca por CEPs (a diferença é que é trazida uma lista de logradouros ao invés de um único logradouro).

Eis aqui um exemplo:

https://viacep.com.br/ws/SP/S%C3%A3o%20Paulo/Vila%20Mariana/json

Eis a saída:

[
  {
    "cep": "04114-050",
    "logradouro": "Praça Lions Clube-Vila Mariana",
    "complemento": "",
    "bairro": "Jardim da Glória",
    "localidade": "São Paulo",
    "uf": "SP",
    "unidade": "",
    "ibge": "3550308",
    "gia": "1004"
  },
  {
    "cep": "04112-015",
    "logradouro": "Praça Comunitária da Vila Mariana",
    "complemento": "",
    "bairro": "Vila Mariana",
    "localidade": "São Paulo",
    "uf": "SP",
    "unidade": "",
    "ibge": "3550308",
    "gia": "1004"
  }
]
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