20 marca 1440 z rąk spiskowców zginął wielki książę litewski, Zygmunt Kiejstutowicz, co wywołało niepokoje w państwie litewskim.
Do tronu wielkoksiążęcego pretendowali syn zamordowanego — Michał Bolesław Zygmuntowicz zwany Michajłuszką (ok.1390-1452) oraz Świdrygiełło Olgierdowicz (1370-1452) , najmłodszy brat Władysława Jagiełły, popierani przez część bojarstwa litewskiego i ruskiego. Objęcie tronu wielkoksiążęcego przez któregoś z tych pretendentów groziło zerwaniem unii Litwy z Polską. Trzeci obóz, sprzyjający zachowaniu unii polsko-litewskiej, w skład którego wchodzili wpływowi magnaci, m. in. biskup wileński Maciej (1422-1453), książę holszański Jerzy oraz przewodzący stronnictwu Jan Gasztołd (1393-1458), popierał brata Władysława III, Kazimierza Andrzeja. Tę kandydaturę popierali także panowie polscy na czele ze Zbigniewem Oleśnickim (13891455), który dążył do zachowania podziału politycznego i terytorialnego Litwy i późniejszego wcielenia do Korony niektórych jej części, jak Wołyń, Podole, Podlasie. W pierwszym etapie realizacji planów Oleśnickiego mieli pomóc książęta mazowieccy, stronnicy Michajłuszki, Kazimierz II (1426-1442) i Bolesław IV (ok.1421-1454), którzy z polecenia biskupa dołączyli do orszaku udającego się na Litwę Kazimierza. Ich celem było odebranie Litwie Podlasia i przyłączenie go do Mazowsza. Kwestia Podlasia została uregulowana dopiero w 1444 roku.
Trzynastoletni Kazimierz, mianowany namiestnikiem, przybył w maju 1440 do Wilna w towarzystwie Jana z Chyżewa, kasztelana krakowskiego, oraz ochmistrza Pawła Chełmskiego. Korzystając z nieobecności Władysława III w Polsce (udał się na Węgry w celu objęcia tronu), bojarzy litewscy, pragnąc oderwania się od Polski, 29 czerwca 1440 ogłosili w katedrze wileńskiej Kazimierza Jagiellończyka wielkim księciem litewskim. Tym samym unia polsko-litewska uległa zerwaniu. Ponieważ wybór Kazimierza na wielkiego księcia bez zgody polskiego króla i sejmu był równoznaczny z zerwaniem porozumień z Polską zawartych przez Zygmunta Kiejstutowicza, niektórzy historycy określają dojście Kazimierza do władzy jako przewrót państwowy.
Kazimierz Jagiellończyk sprawował rządy na Litwie jako wielki książę litewski w latach 1440-1492. Wykorzystując wiek Kazimierza (przybył na Litwę w wieku 13 lat), bojarstwo litewskie sięgnęło po władzę na Litwie poprzez obsadzanie najważniejszych urzędów członkami kilku rodów: Kieżgajłów, Gasztołdów i Radziwiłłów. Stopniowo jednak młody książę uwolnił się spod wpływów swojego doradcy Jana Gasztołda, który zdobył wysoką pozycję w państwie i w celu przejęcia władzy na Litwie szukał sprzymierzeńców wśród wrogo nastawionych do księcia rodów.
W latach 1440-1441 Jagiellończyk poskromił bunt pospólstwa (tzw. „czarnych ludzi”) w Smoleńsku i mianował namiestnikiem smoleńskim Andrzeja Sakowicza (?-1465). Na początku rządów książę uznał autonomię w zakresie administracji i sądownictwa Żmudzi, która pod przywództwem Dowmonta, zwolennika Michajłuszki, wykazywała dążenia separatystyczne. Na mocy postanowienia Jagiellończyka Żmudź miała być traktowana na równi z województwami wileńskim i trockim.
Po okresie walk wewnętrznych za rządów księcia Świdrygiełły i Zygmunta Kiejstutowicza rządy łagodnego Kazimierza Jagiellończyka stały się dobrodziejstwem dla Wilna. Wznawiając zaniedbane przez poprzedników przywileje prawa magdeburskiego, Kazimierz ustanowił dwutygodniowe jarmarki: jeden w styczniu na Trzy Króle, drugi w sierpniu na Wniebowzięcie Najświętszej Maryi Panny. Przy Kazimierzu rozszerzono miasto na prawy brzeg Wilii. Opiekując się handlem, Kazimierz zniósł cło pobierane od mieszczan handlujących po całym kraju, za zasługi dla miasta rozdawał parcele pod zabudowę domów i świątyń, bowiem w okresie rządów Kazimierza Jagiellończyka wzniesiono kilkanaście kościołów katolickich i cerkwi prawosławnych, wzmocnił się samorząd miasta.
W 1440 Kazimierz zwołał do Wilna zjazd panów, a zimą 1441 roku wyprawił się pod Smoleńsk i zdobył to miasto dla siebie. W 1443 przyjął w Wilnie poselstwo Tatarów krymskich, którzy prosili wielkiego księcia o oddanie im na chana Hadżi-Gireja (?-1466), mieszkającego na Litwie i będącego wówczas do 1443 r. starostą lidzkim. „Hadżi–Girej, jak pisze J. I. Kraszewski, w Wilnie okrzyknięty został chanem i Radziwiłł Ościkowicz (?-1477) odprowadził go do Krymu, gdzie Tatarzy bardzo dobrze go przyjęli”.
W pięć lat później, 30 marca 1445 roku w Sieradzu Kazimierz obrany został królem Polski, ale długo nie przyjmował korony, łudząc się, że Władysław nie zginął pod Warną w 1444, lecz żyje i powróci na tron polski. Dopiero w czerwcu 1447 roku Kazimierz przybył do Krakowa i tam został koronowany na króla. W 1448 r. już jako król polski i wielki książę litewski przybył do Wilna, gdzie nadał kupcom wileńskim przywilej uwalniający ich od ceł nie tylko na Litwie, ale i w całym królestwie. W 1451 roku odbył się w Wilnie zjazd panów polskich i litewskich, na zjazd przybył z Krakowa król Kazimierz i Wilno otrzymało w tym roku zwolnienie od obowiązkowego wydawania podwód na przejazd urzędników, dworu, dowożenia przesyłek itp.
10 lutego 1454 król ożenił się z Elżbietą Rakuszanką z Habsburgów, która w przyszłości miała zyskać zaszczytny tytuł Matki Królów dając mu trzynaścioro dzieci, w tym sześciu synów, z których czterech zostało królami.
W 1464 w Wilnie grasowała zaraza, wielu ludzi zmarło, król w tym czasie przebywał w Kownie.
W czasie długich, bo aż 52–letnich, i pomyślnych rządów, Kazimierz zatroszczył się o miasto pod względem administracyjnym. Przede wszystkim odnowił jego prawa magdeburskie (1441 r.), według których na czele miasta stanął wójt. Drugim organem samorządowym był magistrat z dwunastoma burmistrzami i dwudziestoma czterema ławnikami. Jednak ani wójt ani też magistrat nie mieli zupełnej władzy nad całym miastem. Musieli się dzielić nią ze starostą zamku i biskupem. Kazimierz 29 lutego 1468 r. nadał Wilnu ustawy sądowe tzw. Sudiebnik — pierwszy litewski kodeks. Tym dokumentem zapoczątkował kodyfikację prawa litewskiego kontynuowaną w Statutach Litewskich. Kodeks składał się z 24 artykułów. Regulował cztery kwestie prawne: 1. Przestępstwa chłopów. Konieczność tych regulacji wynikała z postępującego w XV w. przekształcania wolnych chłopów w ludność zależną. 2. Spory o ziemię. Zakazywał „zajazdów” ustanawiając jednocześnie procedury sądowe rozstrzygania tych sporów. 3. Zakazywał przywłaszczania rzeczy znalezionych oraz udzielania schronienia zbiegłym ludziom niewolnym. 4. Ustanawiał kary za szkody powstałe wskutek nieutrzymywania w należytym stanie dróg i mostów.
W Sudiebniku Kazimierza Jagiellończyka znalazła się po raz pierwszy w prawie litewskim definicja przestępstwa jako złamania prawa. Zniesiona została możliwość wykupu od kary śmierci.
Pomimo szczątkowego charakteru regulacji, Sudiebnik 1468 roku ma ogromne znaczenie dla budowania porządku prawnego w Wielkim Księstwie Litewskim. Dał początek kodyfikacjom (Statuty Litewskie), które doprowadziły system prawa litewskiego do pełnego i nowoczesnego uregulowania, stanowiącego wzór dla państw sąsiednich. Wyroki sądowe, prawa, rozporządzenia wygłaszano w czterech językach: litewskim, polskim, niemieckim i ruskim (staro–białoruskim).
Obradowały również litewskie sejmy i rada panów. Mimo tego, że w Wilnie najliczniejszą grupą językową byli Polacy, to nie ignorowano pozostałych, mniej licznych skupisk narodowościowych. Stanowili oni równoprawną część społeczeństwa miasta. W 1469 Kazimierz Jagiellończyk sprowadził z Krakowa do Wilna franciszkanów obserwantów, zwanych bernardynami i wzniósł im nad Wilną (Wilenką) kościół pod wezwaniem św. Franciszka i Bernardyna. Bernardyni, jak pisze Kraszewski, „poczęli usilnie lud prosty, a mianowicie Ruś, nawracać na katolicyzm i byli najgorliwszymi apostołami”. Był to po franciszkanach i mnichach (czerncach) prawosławnych trzeci zakon w Wilnie. Do 1469 roku było w Wilnie 7 kościołów katolickich: katedra św. Stanisława, św. Marcina, św. Mikołaja, św. Jana, św. Piotra na Antokolu, Marii Panny na Piaskach (franciszkański) i św. Franciszka i Bernardyna (bernardynów).
W 1473 r. król przybył do Wilna na zjazd, gdzie uchwalono dla poratowania nadszarpniętego skarbu królewskiego nałożenie podatku na chłopów. Powinni byli składać po sześć groszy szerokich praskich od pługa. Ale na skutek panującej zarazy i głodu na Litwie niewiele tych groszy zebrano. Głód powstał na skutek suszy, która do szczętu zboże wypaliła, wysuszyła trawy i nawet w rzekach mało było wody. Po tej suszy ludzie umierali z głodu, padały zwierzęta domowe. Głód dotknął nie tylko chłopów, lecz także szlachtę i częściowo miasto.
Od czasów Kazimierza w mieście odbywały się duże dwutygodniowe jarmarki, pierwszy po święcie Trzech Króli (w styczniu) zaś drugi po uroczystościach Matki Boskiej Zielnej (w sierpniu). Poza tym regularnie co tydzień miał miejsce targ.
Z rządami Kazimierza Jagiellończyka łączy się epizod wileński dotyczący jego syna, królewicza Kazimierza (1458-1484), którego imię na zawsze związało się z tym miastem. Od lat dziecięcych był szczególnie pobożny, hojny dla ubogich, o bogatym życiu wewnętrznym, ale w miarę jak dorastał, nękany był coraz bardziej chorobą płuc. Kazimierz zmarł w Grodnie 4 marca 1484 r. Jego zwłoki przeniesiono z Grodna do Wilna i pochowano w katedrze. Kanonizowany w 1604 r. stał się patronem Litwy i Polski, a po odzyskaniu przez Litwę niepodległości obwołano go patronem młodzieży litewskiej.
Kazimierz Jagiellończyk będąc królem Polski często w Wilnie przebywał, kroniki notują, że bywał nad Wilią nawet po kilka miesięcy w latach 1464, 1468, 1470, 1471, 1476, 1485, 1492. W tym roku święta wielkanocne spędził w Wilnie i następnie wyjechał do Trok, tam zachorował i będąc chorym wyruszył przez Grodno do Krakowa, jednakże do stolicy Polski nie dotarł, bo 23 czerwca 1492 roku zmarł w Grodnie.