Kampania wrześniowa 1939
17 września 1939 r., zgodnie z postanowieniami niemiecko-radzieckiego paktu Ribentropp-Mołotow i łamiąc postanowienia obowiązującego polsko-radzieckiego paktu o nieagresji, Armia Czerwona wkroczyła na ziemie II Rzeczypospolitej.

W kierunku Wileńszczyzny uderzyły oddziały wchodzące w skład Frontu Białoruskiego. W dniach 18-19 września zaatakowały one i zdobyły Wilno. Niedługo potem wojsko radzieckie opanowało cały region, a 28 października 1939 r. (na mocy porozumienia z 10 października) ZSRR przekazał Wileńszczyznę Litwie (od czerwca 1940 r. ponownie zostało ono okupowane przez Armię Czerwoną).

Wkrótce na Litwę oraz do pozostałych dwóch państw bałtyckich – Łotwy i Estonii, przedostało się w ramach ewakuacji ok. 12 tys. polskich żołnierzy, którzy zostali w tych krajach internowani. Na Litwie przebywało ich ok. 5 tys., zostali umieszczeni w obozach w Wiłkomierzu, w V Forcie Kowieńskim, w Kalwarii koło Wilna i Wyłkowyszkach. Po aneksji krajów bałtyckich przez ZSRR w 1940 r. trafili oni do radzieckich łagrów.

Działania Związku Walki Zbrojnej – Armii Krajowej
W ramach utworzonego w listopadzie 1939 r. Związku Walki Zbrojnej wydzielono strukturę terytorialną. Jedną z jej części był Samodzielny Okręg ZWZ Wilno dowodzony przez ppłk. Nikodema Sulika („Jodko”, „Sarnowski”) – do aresztowania przez NKWD w 1941 r. – a następnie przez ppłk. Aleksandra Krzyżanowskiego („Dziemido”, „Wilk”).

Jednocześnie w Kownie istniała punkt kontaktowy o nazwie Baza nr 3 „Anna”, umożliwiający łączność między rządem emigracyjnym a strukturami Polskiego Państwa Podziemnego w kraju. Okręg Wilno działał także w strukturze Armii Krajowej, w którą przekształcony został ZWZ w lutym 1942 r.

W dniach 6-13 lipca 1944 r. w Wilnie w ramach akcji „Burza” oddziały okręgów AK wileńskiego i nowogródzkiego przeprowadziły operację „Ostra Brama”. Miała ona na celu przejęcie władzy w okupowanym przez Niemców mieście jeszcze przed wkroczeniem Armii Czerwonej. Mimo niemal dwukrotnie mniejszych sił (10 tys. przeciw 17 tys. żołnierzy) i gorszego uzbrojenia, akowcom udało się, z pomocą oddziałów Armii Czerwonej, wyprzeć oddziały niemieckie z miasta. 17 lipca NKWD aresztowało komendanta Okręgu Wileńskiego AK, płk. Aleksandra Krzyżanowskiego „Wilka”.  Rozbrojono i zatrzymano także innych polskich dowódców i żołnierzy – duża część z nich trafiła do więzień lub została zesłana na Syberię. W sierpniu 1944 r. kolejne oddziały AK były rozbijane przez dywizje NKWD. Walki z reorganizującymi się oddziałami trwały jeszcze kilka miesięcy.

Ofiary cywilne
Od końca października 1939 r. Wileńszczyzna znajdowała się pod kontrolą Litwy. 15 czerwca 1940 r. ponownie okupowali ją Sowieci – cały region wszedł w skład tzw. Zachodniej Białorusi. W lipcu 1940 r. rozpoczęły się masowe deportacje, które w poprzednich miesiącach dotknęły już mieszkańców pozostałego obszaru okupowanego przez ZSRR. Szacuje się, że w tym czasie prześladowania dotknęły ok. 35 tys. mieszkańców Wileńszczyzny.

Po wybuchu wojny pomiędzy hitlerowskimi Niemcami a ZSRR, Wilno zostało zajęte przez Wehrmacht. Rozpoczął się kolejny okres represji oraz ludobójstwa, którego symbolem stała się podwileńska miejscowość Ponary. W latach 1941-1944 oddziały SS zamordowały w niej ok. 100 tys. obywateli polskich, głównie Polaków oraz Żydów.