Древнейшие поселения на современной территории Вильнюса, как свидетельствуют археологические находки в различных частях города, относятся к эпохе мезолита.
По некритично воспроизводимым непроверенным сведениям XIX века, ссылающимся на несуществующий текст Снорри Стурлусона, первое упоминание о Вильнюсе относится к XII веку. В действительности город впервые упоминается в письменных источниках в первой четверти XIV века. Резиденцией великих князей литовских и столицей Великого княжества Литовского считается с 1323: к этой дате относят сооружение деревянного замка Гедимином. В 1325 Гедимин называет Вильнюс своим стольным городом.
Башня Гедемина
В 1387 король польский и великий князь литовский Ягайло пожаловал Вильнюсу городские права.
В 1503-1522 город был окружён городской стеной с девятью воротами и тремя башнями. Вершины развития Вильнюс достиг в правление короля польского и великого князя литовского Сигизмунда Старого (лит. Zygimantas Senasis, польск. Zygmunt II August, белорус. Жыгімонт ІІ Аўгуст), обосновавшегося здесь со своим двором в 1544. В дальнейшем город постоянно рос и развивался.
В 1579 королём Польши Стефаном Баторием (лит. Steponas Batoras, польск. Stefan Batory, белорус. Стэфан Баторы) в городе был основан Вильнюсский университет. Таким образом Вильнюс стал первым университетским городом Великого княжества Литовского и его крупным научным и культурным центром.
Ущерб городу наносили разрушительные пожары 1610, 1737, 1748, 1749 и эпидемии. В ходе Русско-польской войны город взяли украинские казаки Золотаренко и русские войска царя Алексея Михайловича, разграбили и уничтожили значительную часть населения. С осени 1661 Вильна вновь в составе Речи Посполитой.
В 1769 было основано кладбище Росса (лит. Rasu kapines, польск. Cmentarz na Rossie) - старейший некрополь Вильнюса.
В 1793 город заняли русские войска. В 1794 Вильна стала центром восстания Тадеуша Костюшко. После третьего раздела Речи Посполитой в 1795 Вильна была аннексирована Россией.
Вильна стала административным центром Виленской (1795-1797), затем Литовской (1797-1801), Литовско-виленской (1801-1840), а c 1840 - вновь Виленской губернии. К ведению виленского военного губернатора (генерал-губернатора) относились также Ковенская, Гродненская и, в разное время, другие губернии.
В 1799-1805 были разрушены городские стены. Сохранились отдельные фрагменты и Остра брама (лит. Ausros Vartai, «Ворота зари»; польск. Ostra Brama, белорус. Вострая Брама) с часовней и чудотворной иконой Остробрамской Божией Матери.
В апреле 1803 императором Александром I был учреждён императорский Виленский университет.
Летом 1812 город заняли французские войска Наполеона. Остатки разбитой великой армии отступали на родину также через Вильну. Улицы и окрестности были усеяны горами трупов замёрзших, умерших от голода и болезней солдат; захоронены они были лишь несколько месяцев спустя.
После восстания 1831 Виленский университет в 1832 был закрыт. Бои в ходе восстания 1863 город не затронули, но после его подавления генералом Муравьёвым были приняты меры по искоренению польской культуры и приданию Вильне русского характера. В частности, были заново отстроены пришедшие в упадок православные храмы.
Во второй половине XIX и в начале XX века Вильна стала центром белорусского национального возрождения. В Вильне публиковались первые литературные произведения на современном белорусском языке, действовали белорусские организации, издавалась первые белорусские газеты - «Наша Ніва», «Гомон» и прочие.
16 февраля 1918 в Вильне был подписан акт независимости Литовской республики.
После того, как 31 декабря 1918 немецкая армия оставила город, 5 января 1919 его заняла Красная армия. В Вильну из Двинска переехало советское Временное революционное рабоче-крестьянское правительство во главе с В. Мицкявичюсом-Капсукасом. На Первом съезде Советов Литвы 18-20 февраля принята Декларация об объединении Советской Литвы и Советской Белоруссии. 27 февраля провозглашено образование Литовско-Белорусской Советской Социалистической Республики («Литбел»). В ходе советско-польской войны 19 апреля 1919 город заняли польские части, 20 июля 1920 - части Красной армии. 9 октября 1920 части генерала Л. Желиговского с негласной санкции Ю. Пилсудского заняли Вильну и часть Юго-восточной Литвы.
В 1920-1922 Вильно был столицей государственного образования Срединная Литва, отвечавшего федералистской концепции Ю. Пилсудского и его сторонников, в частности, генерала Люциана Желиговского. 20 февраля 1922 Виленский сейм принял постановление о присоединении города и края к Польше. Однако во Временной конституции Литвы 1918, в конституциях 1928 и 1938 Вильно именовался столицей Литвы.
В межвоенное время Вильно (белорус. Вильня) являлся центром белорусского национального движения. В городе действовала белорусская гимназия, белорусский музей братьев Луцкевичей. После вхождения Вильнюса в состав СССР многие из белорусских национальных деятелей были репрессированы.
10 сентября 1939 Вильно заняла Красная Армия, город был воссоединён с Советской Белоруссией. Уже через месяц, однако, по Договору о передаче Литовской Республике города Вильно и Виленской области и о взаимопомощи между Советским Союзом и Литвой от 10 октября 1939 часть юго-восточной Литвы и Вильно были переданы Литве. 27 октября 1939 в Вильно вошли части литовской армии.
С лета 1940 Вильно (Вильнюс) стал столицей Литовской ССР. Прежней столицей Литвы был город Ковно (Каунас).
Во время Второй мировой войны город с 23 июня 1941 по 13 июля 1944 был оккупирован немецкой армией. За это время жертвами Холокоста стали 95 % представителей еврейской общины города.
В боях с частями немецкого гарнизона за освобождение города 7 июля - 14 июля 1944 приняли участие 12,5 тыс. бойцов польской Армии Крайовой (операция «Остра брама»). После вступления в город 15 июля частей 3-го Белорусского фронта подразделения НКВД разоружили и интернировали солдат Армии Крайовой. 16 июля польские командиры были приглашены на совещание к генералу Черняховскому и арестованы.
В 1990 Вильнюс был провозглашён столицей независимой Литвы. В связи с выходом Литвы из состава СССР Президиум Верховного Совета Белорусской ССР 29 марта 1990 года заявил Верховному Совету Литвы о том, что в данном случае теряют свою юридическую силу законодательные акты относительно передачи Литовской ССР исконно белорусских территорий, тем более что они принимались без согласия Белорусской ССР. Президиум Верховного Совета БССР заявил, что он «будет вынужден настаивать на возвращении Белорусской Советской Социалистической Республике белорусских земель». Это заявление, однако, так и осталось на бумаге. Позднее президент Республики Беларусь Александр Лукашенко заявил, что у Республики Беларусь нет территориальных претензий к своим соседям.
Главная достопримечательность Вильнюса - Старый город и его холмы, улицы и здания. В историческом центре города расположена Замковая гора, увенчанная башней Гедимина. Башня осталась от мощных укреплений Верхнего замка и считается символом города. С 1960 в башне оборудована экспозиция, посвящённая истории города. На крыше устроена обзорная площадка, с которой открывается панорама Старого города и долины реки Вилии.
С Замковой горой соседствуют гора Трёх крестов (в старину Лысая или Кривая). На горе в 1916 были установлены три белых бетонных креста по проекту архитектора Антония Вивульского; взорваны в 1951 и восстановлены в 1989. На горе Бекеша за горой Трёх крестов похоронен в 1580 венгерский полководец, сподвижник Стефана Батория Каспар Бекеш.
У подножья Замковой горы расположена Кафедральная площадь с памятником князю Гедимину, Кафедральным собором Св. Станислава и колокольней. Старинные улицы Пилес (Замковая) и Диджёйи (Большая) ведут от Кафедральной площади к Ратушной площади. На ней расположена Ратуша в стиле классицизма. От Ратуши улица Аушрос варту (Островоротная) ведёт к сохранившимся городским воротам Острой браме с часовней и чудотворной иконой Остробрамской Божией Матери.