Som et resultat av Molotov-Ribbentrop-pakten og angrepet på Polen ble byen okkupert av Den røde hær den 19. september 1939. Kun sporadisk motstand med lokale hjemmevernsstyrker fant sted siden den polske hæren allerede var i krig mot Tyskland i andre deler av Polen. Byen var påtenkt som hovedstad i Hviterussland, men etter samtaler i Moskva den 10. oktober 1939 ble byen og omland overført til Litauen mot etableringen av sovjetiske militærbaser flere steder i landet. De litauiske myndighetene inntok Vilnius kort tid etter og den litauiske hovedstaden ble gradvis overført dit. Likevel var denne prosessen ennå ikke avsluttet da Vilnius igjen ble erobret av Sovjetunionen i juni 1940 og ble hovedstad i Den litauiske sosialistiske sovjetrepublikk. Omkring 35 000–40 000 av byens innbyggere ble arrestert av NKVD og sendt til Gulag.