Fin novembre 1920, alors que la République d’Arménie était épuisée par la guerre turco-arménienne, des unités de l’Armée rouge entrèrent dans le pays depuis l’Azerbaïdjan, et le 2 décembre le pouvoir passa aux bolcheviks. Les réquisitions et les arrestations des premiers mois provoquèrent en février 1921 un soulèvement, réprimé en avril, tandis qu’au Zanguezour la résistance dirigée par Garéguine Njdeh se poursuivit jusqu’à l’été de la même année. En 1921, les traités de Moscou et de Kars fixèrent la frontière avec la Turquie : Kars et le mont Ararat restèrent à la Turquie, et le Nakhitchevan fut confié à l’Azerbaïdjan en tant que territoire autonome. La même année, par une décision du Bureau caucasien, le Haut-Karabagh resta lui aussi au sein de l’Azerbaïdjan et devint en 1923 une région autonome.
En 1922, l’Arménie fut réunie à la Géorgie et à l’Azerbaïdjan au sein de la Fédération transcaucasienne, qui devint en décembre de la même année l’un des membres fondateurs de l’URSS. La fédération fut dissoute en 1936 et la RSS d’Arménie devint une république fédérée distincte. Dans les années 1920, l’architecte Alexandre Tamanian établit le plan général d’Erevan, approuvé en 1924. Avec ses rues circulaires et radiales, ses bâtiments de tuf rose et ses ceintures vertes, la nouvelle Erevan passa peu à peu du statut de petite ville de province à celui de véritable capitale, et dans les années 1980 sa population dépassa 1 million d’habitants.
Le pouvoir soviétique mena une industrialisation rapide. On construisit des centrales hydroélectriques, dont la cascade Sevan-Hrazdan, et de nombreuses usines. L’eau du lac Sevan fut largement utilisée pour l’énergie et l’irrigation ; le niveau du lac baissa donc fortement, ce qui devint plus tard un grave problème écologique. Dans les campagnes, la collectivisation fut menée à partir de 1929–1930, souvent par la force. Dans le même temps, l’instruction devint générale, l’analphabétisme fut pour l’essentiel éliminé, et des universités, des théâtres et des instituts de recherche furent ouverts. À la fin des années 1970, la centrale nucléaire de Metsamor fut mise en service, et en 1981 le métro d’Erevan fut inauguré.
Parallèlement à ces réalisations, le pays traversa les répressions staliniennes. En 1936, le chef du Parti communiste d’Arménie, Aghassi Khandjian, mourut à Tbilissi dans des circonstances suspectes ; en 1937–1938, des milliers de personnes furent ensuite fusillées ou déportées. Parmi les victimes figuraient les écrivains Yéghiché Tcharents et Axel Bakounts, des hommes d’État, des membres du clergé, de simples ouvriers et paysans. En 1938, le catholicos Khorène Ier mourut dans des circonstances suspectes, et la plupart des églises furent fermées. Une nouvelle vague de répression eut lieu en 1949, lorsque des milliers de personnes furent déportées avec leurs familles dans la région de l’Altaï.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, environ 300 000 personnes partirent d’Arménie pour le front, et plus d’un demi-million d’Arméniens de toute l’Union soviétique prirent part à la guerre. Le nombre total de morts varie sensiblement selon les sources, mais il n’y avait guère de famille en Arménie qui n’ait subi de perte. Des divisions nationales arméniennes furent formées ; l’une d’elles, la 89e division « Tamanskaïa », combattit dans le Caucase et en Crimée et parvint jusqu’à Berlin. Hovhannès (Ivan) Bagramian commanda un front et devint plus tard maréchal de l’Union soviétique, Hovhannès (Ivan) Issakov devint amiral de la flotte, et Hamazasp Babadjanian se fit connaître comme commandant des troupes blindées. Grâce aux fonds réunis par les Arméniens de la diaspora et par l’Église, la colonne de chars « David de Sassoun » fut construite.
Après la guerre, le pouvoir soviétique chercha à gagner la diaspora à sa cause. En 1945, le catholicos Georges VI fut élu à Etchmiadzine, et un rapatriement fut bientôt annoncé. En 1946–1949, environ 100 000 Arméniens vinrent en Arménie depuis la Syrie, le Liban, l’Iran, la Grèce, la France, l’Égypte, les États-Unis et d’autres pays. Beaucoup se heurtèrent à des difficultés matérielles et à la méfiance, et une partie d’entre eux fut déportée en 1949. Après la mort de Staline, l’atmosphère se détendit, la plupart des personnes injustement condamnées furent réhabilitées, et en 1955 Vazguen Ier fut élu catholicos ; il dirigea l’Église apostolique arménienne pendant près de 40 ans.
Le 24 avril 1965, 50e anniversaire du génocide des Arméniens, des dizaines de milliers de personnes descendirent dans les rues d’Erevan pour réclamer une commémoration officielle des victimes. Une telle manifestation de masse spontanée était un fait rare dans les conditions soviétiques. Les autorités décidèrent ensuite d’édifier un mémorial sur la colline de Tsitsernakaberd, inauguré en 1967.
L’Arménie soviétique devint un centre important de la science et de la culture. L’Académie des sciences fut fondée en 1943, et en 1946 l’astrophysicien Viktor Hambardzoumian fonda l’observatoire de Byurakan, qui acquit une reconnaissance internationale. En 1959, la collection de manuscrits anciens fut installée dans un bâtiment construit à cet effet, et le Matenadaran Mesrop-Machtots, institut des manuscrits anciens, fut créé. Le compositeur Aram Khatchatourian, le peintre Martiros Sarian, le cinéaste Sergueï Paradjanov et bien d’autres y créaient leurs œuvres. La période soviétique apporta un développement rapide de l’instruction, de la science et de la vie urbaine, mais aussi l’absence de libertés politiques, et c’est avec ce double héritage que l’Arménie entra dans la période des grands changements de la fin des années 1980.
