Тем временем 39-й моторизованный корпус немецкой группы армий «Центр», успешно разгромив 128-ю стрелковую дивизию и другие войска Красной Армии, дислоцированные на границе, достиг Алитуса 22 июня и после ожесточенного боя с 5-й танковой дивизией, в ходе которого было полностью уничтожено 11 немецких танков, захватил неповрежденные мосты через реку Неман. Помощь 20-й танковой дивизии определила исход сражения. Потеряв 70 танков, 5-я танковая дивизия начала отступление в направлении Вильнюса. Лейтенант. Gen. 11-я армия, которой командовал Морозов, почти окруженная немцами с севера и юга, также начала отступать. Около 60 000 безоружных рабочих, которые возводили оборонительные пограничные укрепления, и другие лица отступали вместе с этой армией. Немецкая армия высадила несколько десантников за линией фронта, и они разрушили коммуникации между частями Красной Армии. Руководство Северо-Западного фронта Красной Армии потеряло связь со своими войсками и узнало о его местонахождении только 30 июня, когда 11-я армия уже потеряла 60 процентов своих солдат и 75 процентов военной техники. Тем временем начальники 9-й дивизии НКВД и часть 84-го полка НКВД все еще находились в Вильнюсе. Утром 23 июня 39-й моторизованный корпус немецкой армии продвинулся через Бутримонис и Валкининкай к Вильнюсу. Генерал. Францо фон Функ, командовавший 7-й моторизованной дивизией этого корпуса, получил задачу двигаться в направлении Вильнюса через станцию Валкининкай. Столкнувшись с немецкими войсками, 5-я танковая дивизия, потерявшая половину своей боеспособности в первый день войны, отступала в направлении Вильнюса.
В полдень 23 июня, после вывода войск НКВД из Вильнюса, литовцы Вильнюса подняли восстание и за несколько часов прочно заняли важнейшие места в Вильнюсе. 23 июня остатки 5-й танковой дивизии заняли оборонительные позиции к западу и югу от Вильнюса. Здесь они обстреляли приближающиеся колонны немецкой армии и уничтожили дюжину танков и пушек. Немецкие ВВС нанесли 12 ударов по этой советской дивизии. В ходе боев 22-23 июня 5-я танковая дивизия потеряла около 70 процентов своих солдат, около 150 танков, 15 орудий и половину своей бронетехники. Тем временем немецкая 7-я моторизованная дивизия обошла Вильнюс с юга, захватила его восточные пригороды и к наступлению ночи окружила город. Остатки советской 5-й танковой дивизии с 15 танками, 20 бронемашинами и девятью орудиями отступили в направлении Ошмяны и присоединились к другим советским дивизиям близ города Имолодечно. Дорога на Вильнюс была открыта.
Имея поблизости другие дивизии, в 05:00 утра 24 июня передовые подразделения 7-й танковой дивизии, не встретив сопротивления, вошли в Вильнюс. Немецкая армия также обнаружила, что многие города центральной и северо-восточной Литвы, уже оккупированные литовскими повстанцами, украшены триколорами независимой Литвы.
По предварительным данным, за восемь дней боев в июне на территории Литвы были разгромлены 12 дивизий Красной Армии, в то время как немецкая армия потеряла 3362 солдата, в том числе 218 офицеров. Почти все самолеты, танки и артиллерия Красной Армии, базировавшиеся в Литве, были уничтожены. Более 60 000 солдат и офицеров Красной Армии погибли, были ранены или взяты в плен (до 9 июля 1941 года советские потери в Литве и Латвии составляли 87 000 человек).
Превосходящая во всех отношениях немецкая армия нанесла сокрушительные удары по Красной Армии и быстрым маршем прошла по Литве. В течение первой недели войны вермахт оккупировал всю территорию Литвы. Советская армия оказала ожесточенное сопротивление под Калтиненаем, Расейняем и Шяуляем. Красная Армия была вынуждена так стремительно отступать из Литвы не только потому, что подверглась энергичному нападению немецкой армии, но и потому, что антисоветское восстание литовцев нанесло серьезный удар по ее коммуникациям, штабу, контактам, спасло от разрушения многие стратегически важные мосты через реки Литвы и другие военно-экономические объекты. Уже 24 июня 1941 года вермахт, не встретив сопротивления, оккупировал Вильнюс и Каунас. Литовские антисоветские партизаны уже контролировали оба города до прихода немцев.