In de periode van de 7e tot 2e eeuw voor Christus vestigde zich de eerste mensen in het gebied wat nu Litouwen heet. De voorouders van de Litouwse natie waren Balten. Zij stammen af van de blanke Europiden, die zich meer dan 4000 jaar terug mengden met Indo-europeaanse stammen. De Balten bewoonde het vaste land in centraal en oostelijk Europa.

De naam Vilnius is afgeleid van het riviertje Vilnia, die dwars door het hart van Vilnius stroomt. Archeologen hebben vastgesteld dat de eerste mensen zich hier vestigden omstreeks de eerste eeuw na Christus nabij de heuvel waar nu het kasteel van Gediminas staat, op de plaats waar de rivieren Neris en Vilnia samenstromen.

De naam Litouwen werd in 1009 voor het eerst vermeld in geschreven tekst in de Kvedlinburgh kroniek. Een belangrijk jaar in de vorming van Litouwen was 1236. Hertog Mindaugas, de enige koning die Litouwen heeft gehad, bracht vele leiders bijeen om de Livoniaanse ridders te verslaan in de slag bij Saulė (Slag van de zon) en stichtte de staat Litouwen. In 1251 accepteerde hij om politieke redenen het Christendom in Litouwen. Als dank werd hij op 6 juli 1253 tot koning gekroond.

Vilnius, gesticht door groothertog Gediminas, was gelegen op een locatie waar vele nationale en internationale wegen zich kruisten. Het lag aan doorgangswegen van de Baltische zee tot aan de Zwarte zee en wegen naar West-Europa en het Midden-Oosten. Al snel werd Vilnius het centrum voor de etnische Baltische populatie.

In eerste instantie werd Kernavė de hoofdstad van Litouwen, maar tijdens de jacht kwam Gediminas in 1321 terecht in een prachtig gebied met vele prachtige meertjes. Volgens verhalen begon Gediminas in 1321 met de bouw van het eerste kasteel op een schiereiland van Trakai tussen de meren Galvė en Luka. De hoofdstad werd verplaatst van Kernavė naar Trakai. Gediminas verzamelde een groot aantal mensen en begon te bouwen aan twee nieuwe kastelen in het huidige Vilnius, ongeveer 30 kilometer van Trakai. De hoofdstad werd in 1323 verplaatst naar Vilnius. Gediminas zond een officiële uitnodiging naar diverse kooplieden en vakmensen in West-Europese landen om Litouwen te bezoeken en zich er te vestigen.

In 1385 tekende Jogaila, de kleinzoon van Gediminas, de Unie van Krewo. Hierin werd zijn huwelijk met de Poolse prinses Hedwina vastgelegd, de invoering van het Christendom in Litouwen en de eenwording van de twee landen. In 1387 vestigde zich een bisdom in Vilnius. Litouwen was hiermee de laatste staat die het Christendom erkende.

Jogaila (koning van Polen) en zijn neef Vytautas (groothertog van Litouwen) verenigde hun beide legers. Het gezamenlijke leger versloeg in 1410 de Teutoonse orde in de historische slag bij Žalgiris (Grunewald). Hierdoor kon Vilnius zich in zuidelijke richtingen gaan uitbreiden. Litouwen werd een machtig land dat zich uitstrekte van de Baltische zee tot aan de Zwarte zee. Vilnius verwierf de stadsrechten van Maagdenburg. De stad werd een belangrijk hart vol kunst en cultuur en bezat een grote rijkdom.

Omstreek 1495 vestigden de eerste goudsmid en kleermakers zich in Vilnius. De stad startte zijn uitbreiding van handel en industrie. Vilnius werd een belangrijk cultureel centrum in Oost-Europa. In 1522 startte Pranciškus Skorina (1490 - 1552) de eerste drukkerij in de stad. De eerste boeken werden gedrukt in de Roetheense (Karpato-Oekraïense) taal. Vilnius bloeide als een stad door de vele kooplieden en handwerklieden en was een groot centrum voor de boekdrukkunst in Europa. De eerste brug over de rivier Neris werd gebouwd in 1536 op de plaats waar nu Žaliasis Tiltas (Groene brug) ligt. Deze brug had destijds dezelfde naam.

Vilnius verloor zijn betekenis als een Koninklijk verblijfplaats en bestuurlijke hoofdstad na de unie van Lublin in 1569. Er was een nieuw gemenebest ontstaan tussen Litouwen en Polen, waarbij Krakow dankzij zijn centrale ligging werd verkozen tot hoofdstad. Dit rijk zou 226 jaar blijven bestaan.

Een door de jezuïeten opgerichte school uit 1570 kreeg in 1579 de status van universiteit door de Paus. De universiteit van Vilnius is hiermee de op één na oudste universiteit van Midden en Oost-Europa. Vilnius werd het belangrijkste culturele centrum in de regio. Een van de grootste wetenschappelijke bibliotheken werd in Vilnius geopend. Vele boeken kwamen later in handen van de Jezuïeten, waarna ze uiteindelijk overgingen naar de bibliotheek van de Universiteit van Vilnius.

Vilnius bloeide in de 16e eeuw en het eerste deel van de 17e eeuw. Vele prachtige gebouwen getuigen hier nog steeds van. Ook werden er in deze periode vele opera’s opgevoerd, welke ook in West-Europa veel aanzien hadden.

De Litouwse politieke elite werd echter wel gedomineerd door de Poolse adel en de Poolse kerk, wat uiteindelijk resulteerde in het ontstaan van Poolse sociale en politieke instellingen op Litouws grondgebied. Ook de Litouwse taal kwam in de verdrukking onafhankelijkheid en Litouwen werd een Russische provincie.

In 1785 werd door Wojchiech Bogusławski het eerste openbare theater gesticht, waarna het volk het theaters deed volstromen voor opera, ballet en drama.

Rusland, Pruisen en Oostenrijk annexeerde een groot deel van Pools-Litouws Gemenebest in 1772. Dit duurde tot er in 1793 een tweede afscheiding volgde van etnisch Litouwen en westelijk Wit-Rusland. In 1794 begon de intelligentsia onder leiding van Tadeusz Kościuszko samen met Jakub Jasiński (in Vilnius) aan een opstand tegen de overheersers. Hun krachten waren geen partij voor de bezetters, waarna het het Pools-Litouws Gemenebest definief uiteen viel. Litouwen werd geannexeerd door Rusland en Vilnius werd het centrum van de nieuwe Russische provincie.

De stad werd geplunderd en geruïneerd. Vele burgers werden vermoord of verbannen naar oostelijke gebieden in Rusland. Na de mislukte opstand van 1831 werd de universiteit van Vilnius gesloten. Katholieke kerken werden omgebouwd tot Russisch-orthodoxe kerken. Kloosters werden gesloten of omgebouwd tot militaire kazernes. Ondanks deze onderdrukking onderscheidde Vilnius zich van de andere steden in het Russische rijk dankzij de aanwezigheid van vele gilden.

In Juni 1812 werd Vilnius binnengevallen door Napoleon via de Poort van de zonsopkomst (Aušros vartai). Napoleon was met zijn grote leger onderweg voor de belegering van Moskou. Rond december trok het leger zich terug, verzwakt door ziekte, kou en honger. Ongeveer 80.000 Franse soldaten en hun begeleidende handwerkslui werden (levenslang) gevangen gezet in de buitenwijk Tuskulėnai. Deze begraafplaats is een van de grootste van Napoleon in Europa en enkele jaren terug ontdekt. De overblijfselen zijn overgebracht naar de begraafplaats Antakalnis, waar een monument van eer is opgericht.

Nadat in 1869 de spoorrails St. Petersburg – Vilnius – Warschau in gebruik werd genomen ontstonden er nieuwe industrieën. Een gasfabriek, gieterij, brouwerij en tabaksfabriek werden geopend. De welvaart groeide en er was een duidelijk herstel waarneembaar in het begin van de 20e eeuw.

Op 16 februari 1918 verklaarde Litouwen zich onafhankelijk en nog steeds wordt op deze datum de Onafhankelijkheidsdag gevierd. Voor Vilnius duurde deze onafhankelijkheid kort, want op 2 januari 1919 werd Vilnius bezet door Poolse opstandelingen. Drie dagen later werd de hoofdstad verplaatst naar Kaunas. Een tweede bezetting van de Polen volgde op 19 april. Op 9 juli 1920 tekende de Russische leider Lenin een vredesovereenkomst met Litouwen. Hierin stond dat Rusland Litouwen zou erkennen als onafhankelijke staat en "nooit" meer aanspraak zouden maken op Litouws grondgebied. Op 26 augustus keert de regering terug naar Vilnius. De derde Poolse bezetting onder leiding van Generaal Zeligowski volgt op 9 oktober, waarna Vilnius in 1920 geannexeerd werd door Polen.

In 1939 werd dor Stalin en Hitler in het geheim het Molotov-Ribbentrop verdrag getekend. Litouwen verloor zijn onafhankelijkheid en werd uiteindelijk toegewezen aan Rusland, waarna de Russen Vilnius teruggaven aan Litouwen als hoofdstad. In ruil hiervoor moest Litouwen wel 20.000 Russische soldaten op militaire basissen toelaten op haar grondgebied.

Op 15 juni 1940 viel het rode leger Litouwen binnen, waarna gelijk een communistische regering werd gevormd. Op 21 juli trad Litouwen toe tot de Sovjet-Unie onder de naam: Socialistische Sovjet Republiek Litouwen.

Op 13 en 14 juni 1941 werden vele vooraanstaande Litouwers gedeporteerd naar Siberië. Deze terreur stopte pas toen op 22 juni 1941 de Duitsers Litouwen binnenvielen. Tijdens de tweede wereldoorlog leed de oude stad van Vilnius grote verliezen, hoewel de meerderheid van de gebouwen bewaard is gebleven. Bij de inval van de Duitsers kende Vilnius 70.000 joden en 96 synagogen. De meeste van hen sloegen op de vlucht of vonden vroegtijdig de dood.

In de zomer van 1944 werd Litouwen door de Sovjets opnieuw ingelijfd. Hierna werden Litouwse scholen verboden, Litouwse publicaties in Latijns schrift verboden, en werd de rooms-katholieke kerk zwaar onderdrukt.

Er kwamen veranderingen toen in 1985 Mikhael Gorbatsjov aan de macht kwam. De woorden perestrojka (reconstructie) en glasnost (openheid) deden hun intreden. Het verzet tegen de Sovjets begon te groeien en in 1988 werd de verzetbeweging Sąjūdis opgericht. Na een lange periode onderdeel uitgemaakt te hebben van het Sovjetsysteem, riep Litouwen op 11 maart 1990 zijn onafhankelijk uit. Vele studenten uit Vilnius en de rest van het land verzamelden zich in Vilnius om de onafhankelijkheid af te dwingen. Zij verzamelde zich op strategische plaatsen zoals bij het parlement en de televisiemast. Op 11 januari 1991 bestormden het Sovjetleger het radio- en televisiegebouw in Vilnius en hielden deze korte tijd bezet. Hierbij vielen 14 doden. De centrale regering in Moskou ontkende iedere betrokkenheid.

Het Sovjetparlement erkende op 6 september 1991 de onafhankelijkheid van Litouwen, waarna er een nieuwe sociaal-culturele en economische periode aanbrak in Litouwen en zijn hoofdstad. Pas na een mislukte staatsgreep van eind augustus 1991 in Moskou erkende het Sovjetparlement, het Congres van Volksafgevaardigden, op 6 september de onafhankelijkheid van Litouwen en de andere twee Baltische staten. In Vilnius zijn diverse plannen ontwikkeld en veelal gerealiseerd om de verwaarloosde gebouwen op te knappen en geschikt te maken voor toerisme. Sinds 29 maart 2004 is Litouwen lid van de NAVO en sinds 1 mei 2004 lid van de Europese Unie.