В годы Великой Отечественной войны в Вологде было введено военное положение, а промышленные предприятия перешли на военное производство. Осенью 1941 года фронт подошёл к границе Вологодской области, а с 7 октября бои шли на её территории в Оштинском районе (ныне Вытегорский). Вологда стала прифронтовым городом. Её жители участвовали в строительстве оборонительных рубежей. Сама Вологда также была разбита на сотни участков самозащиты: строились бомбоубежища, простейшие укрытия, развёртывались системы ПВО, которые охраняли железнодорожный узел и военно-промышленные предприятия. В результате на город не упала ни одна бомба, хотя попытки бомбардировок были неоднократны. В память об этом в Вологде установлен монумент подвигам сил ПВО в виде зенитки (на улице Зосимовской).

Вологодский паровозовагоноремонтный завод подготовил к эксплуатации более десяти военно-санитарных поездов. Такие поезда имели специально оборудованные для раненых места, вагон-операционную, вагон-аптеку, вагон-прачечную.
На заводе «Северный коммунар» в Вологде делали мины.
В годы войны Вологда стала перевалочным пунктом для массовой эвакуации промышленных предприятий и населения на восток страны. Только из осажденного Ленинграда по Северной железной дороге было эвакуировано свыше семисот тысяч человек.

В 1941–1942 годах фашисты неоднократно пытались бомбить Вологодский железнодорожный узел. Небо над Вологдой защищал 740-й истребительный авиационный полк Череповецко-Вологодского дивизионного района ПВО.

С начала Отечественной войны по июнь 1944 г. вологжане отправили советским воинам 17 тысяч полушубков, 7 тысяч меховых жилетов, 60 тысяч пар валенок, 143 тысячи пар рукавиц и перчаток, 23 тысячи пар теплого белья, 29 тысяч шапок. Для изготовления теплых вещей было собрано 40 тонн шерсти и 46 тысяч овчин. Всего за годы войны было отправлено 540 тысяч теплых вещей. За период Великой Отечественной войны только доноры города Вологды сдали для раненых воинов свыше 35 тонн крови.