В конце ноября 1920 года, когда Республика Армения была обессилена турецко-армянской войной, части Красной армии вошли в страну из Азербайджана, и 2 декабря власть перешла к большевикам. Реквизиции и аресты первых месяцев вызвали в феврале 1921 года восстание, подавленное в апреле, а в Зангезуре сопротивление во главе с Гарегином Нжде продолжалось до лета того же года. В 1921 году Московский и Карсский договоры определили границу с Турцией: Карс и гора Арарат остались за Турцией, а Нахиджеван был передан Азербайджану в качестве автономной территории. В том же году по решению Кавказского бюро Нагорный Карабах также остался в составе Азербайджана и в 1923 году стал автономной областью.
В 1922 году Армения вместе с Грузией и Азербайджаном вошла в Закавказскую федерацию, которая в декабре того же года стала одним из учредителей СССР. Федерация была упразднена в 1936 году, и Армянская ССР стала отдельной союзной республикой. В 1920-е годы архитектор Александр Таманян составил генеральный план Еревана, утверждённый в 1924 году. С кольцевыми и радиальными улицами, зданиями из розового туфа и зелёными поясами новый Ереван постепенно превратился из небольшого провинциального города в настоящую столицу, а в 1980-е годы его население превысило 1 миллион человек.
Советская власть проводила ускоренную индустриализацию. Были построены гидроэлектростанции, в том числе Севано-Разданский каскад, и множество заводов. Вода озера Севан широко использовалась для энергетики и орошения, в результате чего уровень озера значительно понизился, что впоследствии стало серьёзной экологической проблемой. В деревне с 1929–1930 годов проводилась коллективизация, нередко насильственными методами. Одновременно образование стало всеобщим, неграмотность была в основном ликвидирована, открылись вузы, театры и научные учреждения. В конце 1970-х годов была введена в строй Мецаморская атомная электростанция, а в 1981 году открылся Ереванский метрополитен.
Наряду с достижениями страна прошла через сталинские репрессии. В 1936 году в Тбилиси при подозрительных обстоятельствах погиб руководитель Коммунистической партии Армении Агаси Ханджян, после чего в 1937–1938 годах тысячи людей были расстреляны или сосланы. Среди жертв были писатели Егише Чаренц и Аксель Бакунц, государственные деятели, священнослужители, простые рабочие и крестьяне. В 1938 году при подозрительных обстоятельствах скончался католикос Хорен I, а большинство церквей было закрыто. Новая волна репрессий пришлась на 1949 год, когда тысячи людей вместе с семьями были высланы в Алтайский край.
В годы Второй мировой войны из Армении на фронт ушло около 300 тысяч человек, а всего в Советском Союзе в войне участвовали более полумиллиона армян. Общее число погибших в разных источниках существенно различается, но в Армении почти не было семьи, которая не понесла бы утраты. Были сформированы армянские национальные дивизии; одна из них, 89-я Таманская дивизия, сражалась на Кавказе и в Крыму и дошла до Берлина. Иван (Ованес) Баграмян командовал фронтом и впоследствии стал Маршалом Советского Союза, Иван (Ованес) Исаков стал адмиралом флота, а Амазасп Бабаджанян прославился как командир танковых войск. На средства, собранные армянами диаспоры и Церковью, была построена танковая колонна «Давид Сасунский».
После войны советская власть стремилась привлечь на свою сторону диаспору. В 1945 году в Эчмиадзине был избран католикос Геворк VI, а вскоре была объявлена репатриация. В 1946–1949 годах из Сирии, Ливана, Ирана, Греции, Франции, Египта, США и других стран в Армению приехали около 100 тысяч армян. Многие столкнулись с бытовыми трудностями и недоверием, а часть из них в 1949 году была выслана. После смерти Сталина обстановка смягчилась, большинство невинно осуждённых были реабилитированы, и в 1955 году католикосом был избран Вазген I, возглавлявший Армянскую апостольскую церковь почти 40 лет.
24 апреля 1965 года, в 50-ю годовщину Геноцида армян, десятки тысяч людей вышли на улицы Еревана, требуя официально почтить память жертв. Такая стихийная массовая демонстрация была редким явлением в советских условиях. После этого власти приняли решение построить мемориал на холме Цицернакаберд, открытый в 1967 году.
Советская Армения стала важным центром науки и культуры. В 1943 году была основана Академия наук, а в 1946 году астрофизик Виктор Амбарцумян основал Бюраканскую обсерваторию, получившую международное признание. В 1959 году собрание древних рукописей разместилось в специально построенном здании, и был создан Матенадаран имени Месропа Маштоца — Институт древних рукописей. Творили композитор Арам Хачатурян, художник Мартирос Сарьян, кинорежиссёр Сергей Параджанов и многие другие. Советский период принёс быстрое развитие образования, науки и городской жизни, но также отсутствие политических свобод, и с этим двойственным наследием Армения вступила в эпоху больших перемен конца 1980-х годов.
