1920 թվականի նոյեմբերի վերջին, երբ Հայաստանի Հանրապետությունը ուժասպառ էր թուրք-հայկական պատերազմից, Կարմիր բանակի զորամասերը Ադրբեջանից մտան երկիր, և դեկտեմբերի 2-ին իշխանությունը անցավ բոլշևիկներին։ Առաջին ամիսների բռնագրավումներն ու ձերբակալությունները 1921 թվականի փետրվարին ապստամբություն առաջացրին, որը ճնշվեց ապրիլին, իսկ Զանգեզուրում Գարեգին Նժդեհի գլխավորած դիմադրությունը շարունակվեց մինչև նույն տարվա ամառ։ 1921 թվականին Մոսկվայի և Կարսի պայմանագրերով որոշվեց Թուրքիայի հետ սահմանը՝ Կարսն ու Արարատ լեռը մնացին Թուրքիային, Նախիջևանը որպես ինքնավար տարածք հանձնվեց Ադրբեջանին։ Նույն թվականին Կովկասյան բյուրոյի որոշմամբ Լեռնային Ղարաբաղը նույնպես մնաց Ադրբեջանի կազմում և 1923 թվականին դարձավ ինքնավար մարզ։
1922 թվականին Հայաստանը Վրաստանի և Ադրբեջանի հետ միավորվեց Անդրկովկասյան ֆեդերացիայի մեջ, որը նույն տարվա դեկտեմբերին դարձավ ԽՍՀՄ հիմնադիրներից մեկը։ Ֆեդերացիան լուծարվեց 1936 թվականին, և Հայկական ԽՍՀ-ն դարձավ առանձին միութենական հանրապետություն։ 1920-ական թվականներին ճարտարապետ Ալեքսանդր Թամանյանը կազմեց Երևանի գլխավոր հատակագիծը, որը հաստատվեց 1924 թվականին։ Շրջանաձև և ճառագայթաձև փողոցներով, վարդագույն տուֆից շենքերով ու կանաչ գոտիներով նոր Երևանը փոքր գավառական քաղաքից աստիճանաբար վերածվեց իսկական մայրաքաղաքի, և 1980-ական թվականներին նրա բնակչությունն անցավ 1 միլիոնից։
Խորհրդային իշխանությունն արագ արդյունաբերականացում էր իրականացնում։ Կառուցվեցին հիդրոէլեկտրակայաններ, այդ թվում Սևան-Հրազդան կասկադը, և բազմաթիվ գործարաններ։ Սևանա լճի ջուրը լայնորեն օգտագործվեց էներգիայի և ոռոգման համար, ինչի հետևանքով լճի մակարդակը զգալիորեն իջավ, և դա հետագայում դարձավ բնապահպանական լուրջ խնդիր։ Գյուղում 1929–1930 թվականներից իրականացվեց կոլեկտիվացում, հաճախ՝ բռնի միջոցներով։ Միաժամանակ կրթությունը դարձավ համընդհանուր, անգրագիտությունը հիմնականում վերացավ, բացվեցին բուհեր, թատրոններ և գիտական հաստատություններ։ 1970-ական թվականների վերջին գործարկվեց Մեծամորի ատոմային էլեկտրակայանը, իսկ 1981 թվականին բացվեց Երևանի մետրոն։
Ձեռքբերումներին զուգահեռ երկիրն անցավ ստալինյան բռնաճնշումների միջով։ 1936 թվականին Թբիլիսիում կասկածելի հանգամանքներում մահացավ Հայաստանի կոմունիստական կուսակցության ղեկավար Աղասի Խանջյանը, որից հետո 1937–1938 թվականներին հազարավոր մարդիկ գնդակահարվեցին կամ աքսորվեցին։ Զոհերի թվում էին գրողներ Եղիշե Չարենցը և Ակսել Բակունցը, պետական գործիչներ, հոգևորականներ, շարքային բանվորներ ու գյուղացիներ։ 1938 թվականին կասկածելի հանգամանքներում մահացավ Խորեն Առաջին կաթողիկոսը, իսկ եկեղեցիների մեծ մասը փակվեց։ Բռնաճնշումների նոր ալիք եղավ 1949 թվականին, երբ հազարավոր մարդիկ իրենց ընտանիքներով աքսորվեցին Ալթայի երկրամաս։
Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի տարիներին Հայաստանից ռազմաճակատ մեկնեց մոտ 300 հազար մարդ, իսկ ամբողջ Խորհրդային Միությունից պատերազմին մասնակցեց կես միլիոնից ավելի հայ։ Զոհերի ընդհանուր թիվը տարբեր աղբյուրներում զգալիորեն տարբերվում է, բայց Հայաստանում գրեթե չկար ընտանիք, որը կորուստ չունենար։ Ստեղծվեցին հայկական ազգային դիվիզիաներ, որոնցից 89-րդ Թամանյան դիվիզիան մարտնչեց Կովկասում ու Ղրիմում և հասավ մինչև Բեռլին։ Հովհաննես Բաղրամյանը ղեկավարեց ռազմաճակատ և հետագայում դարձավ Խորհրդային Միության մարշալ, Հովհաննես Իսակովը դարձավ նավատորմի ծովակալ, իսկ Համազասպ Բաբաջանյանը հայտնի դարձավ որպես տանկային զորքերի հրամանատար։ Սփյուռքի հայերի և եկեղեցու հանգանակությամբ կառուցվեց «Սասունցի Դավիթ» տանկային շարասյունը։
Պատերազմից հետո խորհրդային իշխանությունը փորձեց իր կողմը գրավել սփյուռքին։ 1945 թվականին Էջմիածնում ընտրվեց Գևորգ Զ կաթողիկոսը, իսկ շուտով հայտարարվեց ներգաղթ։ 1946–1949 թվականներին Սիրիայից, Լիբանանից, Իրանից, Հունաստանից, Ֆրանսիայից, Եգիպտոսից, ԱՄՆ-ից և այլ երկրներից Հայաստան եկավ մոտ 100 հազար հայ։ Շատերը բախվեցին կենցաղային դժվարությունների և անվստահության, իսկ նրանցից մի մասը 1949 թվականին աքսորվեց։ Ստալինի մահից հետո մթնոլորտը մեղմացավ, անմեղ դատապարտվածների մեծ մասն արդարացվեց, և 1955 թվականին կաթողիկոս ընտրվեց Վազգեն Առաջինը, ով գրեթե 40 տարի ղեկավարեց Հայ առաքելական եկեղեցին։
1965 թվականի ապրիլի 24-ին, Հայոց ցեղասպանության 50-րդ տարելիցին, տասնյակ հազարավոր մարդիկ Երևանում դուրս եկան փողոց՝ պահանջելով պաշտոնապես հիշատակել զոհերին։ Խորհրդային պայմաններում այդպիսի ինքնաբուխ զանգվածային ցույցը հազվադեպ երևույթ էր։ Դրանից հետո իշխանությունները որոշեցին Ծիծեռնակաբերդի բլրին կառուցել հուշահամալիր, որը բացվեց 1967 թվականին։
Խորհրդային Հայաստանը դարձավ գիտության և մշակույթի կարևոր կենտրոն։ 1943 թվականին հիմնադրվեց Գիտությունների ակադեմիան, իսկ 1946 թվականին աստղաֆիզիկոս Վիկտոր Համբարձումյանը հիմնեց Բյուրականի աստղադիտարանը, որը միջազգային ճանաչում ստացավ։ 1959 թվականին հին ձեռագրերի հավաքածուն տեղավորվեց հատուկ կառուցված շենքում, և ստեղծվեց Մաշտոցի անվան Մատենադարանը՝ հին ձեռագրերի ինստիտուտը։ Ստեղծագործում էին կոմպոզիտոր Արամ Խաչատրյանը, նկարիչ Մարտիրոս Սարյանը, կինոռեժիսոր Սերգեյ Փարաջանովը և շատ ուրիշներ։ Խորհրդային շրջանը բերեց կրթության, գիտության ու քաղաքային կյանքի արագ զարգացում, բայց նաև քաղաքական ազատությունների բացակայություն, և այդ երկակի ժառանգությամբ Հայաստանը մտավ 1980-ական թվականների վերջի մեծ փոփոխությունների ժամանակաշրջան։
