I samband med andra världskrigets utbrott och det tyska intåget i Polen ockuperades Mellanlitauen av sovjetiska styrkor enligt Molotov-Ribbentrop-pakten. Detta förde i sin tur med sig att Vilnius återfördes till Litauen. När Litauen tvångsinförlivades i Sovjetunionen 1940 blev Vilnius huvudstad i Litauiska SSR. 1941 ockuperade Nazityskland Litauen och Vilnius. Under den nazityska ockupationen skapades ett getto för den judiska befolkningen i Vilnius gamla stad och stadens judiska befolkning deporterades till koncentrationsläger eller avrättades. Tiotusentals judar avrättades i Paneriaiskogen. 1944 intog sovjetiska trupper Vilnius och staden blev åter huvudstad i Litauiska SSR. Efter andra världskriget fördrevs Vilnius polska befolkning, som hade varit befolkningsmajoritet i staden sedan lång tid tillbaka.