W czerwcu 1920 roku zostało zajęte ostatecznie przez Armię Czerwoną, włączone do Ukraińskiej SRR (od 1922 w składzie ZSRR), do której należało do 1991 roku.
W latach 1937–1938 NKWD rozstrzelało i pochowało na terenie obecnego Centralnego Parku Miejskiego ponad 9000 osób, których groby ekshumowali Niemcy w 1943 roku (tzw. mord w Winnicy).
II wojna światowa i okres powojenny W latach 1942–1943, w czasie II wojny światowej, około 10 km na północ od Winnicy, na wschód od szosy do Żytomierza (naprzeciw Strzyżawki), znajdowała się kwatera główna Hitlera (niem. Führerhauptquartier) FHQ Wehrwolf.
Winnica i jej okolice były miejscem działania Einsatzgruppe D, która wymordowała, jak się szacuje, do 28 tysięcy ludzi, w tym praktycznie całą żydowską populację miasta.
Niepodległa Ukraina mały|Polskojęczyzna tablica pod pomnikiem Jana Pawła II, 2019 r. Od 1991 r. miasto leży na Ukrainie i jest najludniejszym miastem na Podolu.
25 lutego 2010 roku w Winnicy przy ulicy Sobornej 24 otworzono Konsulat Generalny RP, który w 2022 roku został czasowo zamknięty w związku z agresją rosyjską na Ukrainę. W październiku 2010 roku przy kościele kapucynów został odsłonięty pomnik Jana Pawła II z tablicami w językach polskim i ukraińskim.