18 сентября 1939 Вильно заняла Красная Армия, однако в отличие от остальной территории Польши город не был включён в состав Советской Белоруссии. Через месяц, несмотря на то, что численность литовцев в Вильно составляла лишь несколько процентов, по Договору о передаче Литовской Республике города Вильно и Виленской области и о взаимопомощи между Советским Союзом и Литвой от 10 октября 1939 года часть юго-восточной Литвы и Вильно были переданы Литве. 27 октября 1939 года в Вильно вошли части литовской армии.
По тому же договору в Литве было размещено «строго ограниченное количество советских наземных и воздушных вооружённых сил».
В марте 1940 года на 11 конференции Балтийской Антанты в Риге министры иностранных дел Балтийских стран вновь подтвердили решимость «остаться вне вооруженных конфликтов и обеспечивать их (своих стран) независимость и безопасность». Между декабрем 1939 года и апрелем 1940 года все три страны Балтии заключили торговые соглашения, в соответствии с которыми Германия должна была закупать около 70 процентов всего балтийского экспорта.
Начиная с мая 1940 года советское правительство в нескольких заявлениях литовскому правительству обвиняло литовские власти в несоблюдении договора о дружбе и взаимопомощи и во враждебных действиях. В конце мая оно заявило о похищении двух солдат советского гарнизона.
14 июня 1940 года Литве, а одновременно также Латвии и Эстонии были предъявлены однотипные ультиматумы с требованием допустить на территорию страны дополнительные советские войска, отставки правительства и ареста нескольких министров.
Получив советский ультиматум, президент Литвы А. Сметона настаивал на сопротивлении Красной Армии и отводе литовских войск в Восточную Пруссию, но главнокомандующий Литовской армией генерал В. Виткаускас отказался это сделать. Большинство членов правительства также высказалось за принятие ультиматума СССР, после чего Сметона покинул страну. 15 июня ультиматум был принят и генерал Виткаускас приказал соблюдать все правила вежливости и выражать дружественные чувства по отношению к вступающим советским войскам. В Литву вошли дополнительные советские воинские части и было сформировано Народное правительство.
14—15 июля 1940 года были проведены выборы в Народный сейм (с единственным списком блока «Союз трудового народа Литвы»). 21 июля Народный сейм провозгласил образование Литовской ССР и постановил просить Верховный Совет СССР принять Литовскую ССР в состав СССР. 3 августа 1940 года Верховный Совет СССР удовлетворил эту просьбу, Советская Литва вошла в состав СССР (см. Присоединение Прибалтики к СССР (1939—1940)).
10 января 1941 года в Москве министр иностранных дел СССР В. М. Молотов и германский посол Шуленбург подписали секретный протокол, по которому Германия отказывалась от притязаний на часть территории Литвы, указанную в Секретном Дополнительном Протоколе от 28 сентября 1939 года. Также в этом соглашении оговаривалось выселение с приграничных территорий (Сувалкийский и др. районы) жителей литовской и польской национальностей (всего было переселено несколько десятков тысяч человек).
С августа 1941 года до конца 1944 года Литва была оккупирована Германией и входила в состав рейхскомиссариата Остланд. В 1944 году РККА разгромила немецкие войскана территории Литвы и к январю 1945 года восстановила суверенитет СССР на всей территории ЛССР, дополнительно включив Клайпеду (Мемель) в состав Литовской ССР.