En juin 1940 s’ouvre une seconde période avec la défaite française et la signature de l’armistice. C’est là que se situe l’épisode du « train des Milles » popularisé par le film "Les Milles" de Sébastien Grall. À partir de juillet, sous le régime de Vichy, le camp est rapidement surpeuplé ( à la fois en juin 1940). Au cours de cette période sont transférés aux Milles notamment les étrangers des camps du Sud-Ouest, et en particulier des anciens des Brigades internationales d’Espagne ainsi que des juifs expulsés du Palatinat, du Wurtemberg et du pays de Bade.