După ce guvernul Azerbaidjanului s-a predat forțelor bolșevice, RSS Azerbaidjan a fost înființată la 28 aprilie 1920. În ciuda independenței nominale, republica a fost puternic controlată de Moscova și a fost integrată în Republica Sovietică Federativă Socialistă Transcaucaziană (TSFSR) împreună cu Armenia și Georgia în martie. 1922. Această federație a devenit mai târziu una dintre cele patru republici originale ale Uniunii Sovietice în decembrie 1922. TSFSR s-a dizolvat în 1936, făcând tranziția regiunilor sale în republici sovietice separate.
În anii 1930, epurările staliniste au avut un impact semnificativ asupra Azerbaidjanului, ducând la moartea a mii de oameni, inclusiv personalități notabile precum Huseyn Javid și Mikail Mushfig. De-a lungul celui de-al Doilea Război Mondial , Azerbaidjanul a fost crucial pentru Uniunea Sovietică pentru producția sa substanțială de petrol și gaze, contribuind în mod semnificativ la efortul de război.
În perioada postbelică, în special în anii 1950, Azerbaidjanul a cunoscut o urbanizare și industrializare rapidă. Cu toate acestea, până în anii 1960, industria petrolieră a Azerbaidjanului a început să scadă din cauza schimbărilor în producția de petrol sovietică și a epuizării resurselor terestre, ceea ce a dus la provocări economice. Tensiunile etnice, în special între armeni și azeri, au escaladat, dar au fost inițial suprimate.
În 1969, Heydar Aliyev a fost numit prim-secretar al Partidului Comunist din Azerbaidjan, îmbunătățind temporar situația economică prin diversificarea în industrii precum bumbacul. Aliyev a urcat la Biroul Politic din Moscova în 1982, cea mai înaltă poziție pe care a obținut-o un azer în Uniunea Sovietică. Sa pensionat în 1987, în timpul declanșării reformelor perestroika lui Mihail Gorbaciov.
Sfârșitul anilor 1980 a cunoscut o creștere a tulburărilor în Caucaz, în special asupra regiunii autonome Nagorno-Karabah, ducând la conflicte etnice severe și la pogromuri. În ciuda încercărilor Moscovei de a controla situația, tulburările au persistat, culminând cu apariția Frontului Popular din Azerbaidjan și confruntări violente la Baku.
Azerbaidjan și-a declarat independența față de URSS la 30 august 1991, aderând la Comunitatea Statelor Independente. Până la sfârșitul anului, a început Primul Război din Nagorno-Karabah, care a dus la crearea autodeclarei Republicii Artsakh, marcând o perioadă prelungită de conflict și instabilitate politică în regiune.