A Molotov–Ribbentrop-paktum értelmében Lengyelország német megszállását követően Vilnius szovjet érdekövezetbe került. A Vörös Hadsereg 1939. szeptember 17-én foglalta el a várost, majd 1939. szeptember 28-án átadta a Litván Köztársaságnak. 1940. június 15-én foglalta el ismét a Vörös hadsereg Litvániát és Vilniust is. Egy évre rá a Szovjetunió megtámadásának 3. napján, június 22-én bevonult a városba a Wehrmacht. A Vörös Hadsereg 1944. július 13-án foglalta vissza a németektől Vilniust. A város ezt követően Litvánia újbóli függetlenné válásáig 1991. január 13-áig a Litván Szovjet Szocialista Köztársaság fővárosa. A városban az 1956-os magyar forradalom és szabadságharc melletti szimpátiatüntetések zajlottak, ezek emlékére 2006-ban avattak a városban emléktáblát. A második világháború előtt mintegy 220 ezer zsidó élt Litvániában. Fővárosát, Vilniust a gazdag zsidó kulturális élet miatt "Észak Jeruzsálemének" hívták. A német megszállás (1941–44) alatt a nácik és a velük együttműködő helyiek a litvániai zsidók 95 százalékát kiirtották. A 3,5 milliós balti országban ma csupán ötezer zsidó él.