В 1239 году на дочери Витебского князя Брячислава, последнего из династии полоцких князей Изяславичей – Александре, женился князь Александр Невский. Витебчане участвовали с Александром Ярославичем в Невской битве 1240 года, в Ледовом побоище 1242 года.
С середины XIII века Витебское княжество атаковали литовцы, взявшие город в 1235 году. В 1245 году Александр Невский разбил литовские дружины около Усвят.
С 1263 года Витебское княжество в зависимости от литовского князя Герденя, в 1284–1297 годах – от Смоленска. В конце XIII века в Витебске княжил Михаил Константинович, в начале XIV века – последний витебский князь Ярослав Васильевич, дочь которого, Мария, вышла замуж за Великого князя Литовского Ольгерда Гедиминовича. В 1320 году Ярослав умер и Витебское княжество, перешедшее по наследству к Ольгерду, окончательно вошло в состав Литвы, сохранив, правда, некоторую автономию. Витебские привилегии – уставные грамоты великих литовских князей конца XIV – начала XVI в. гарантировали права и привилегии витебских бояр, духовенства, мещан; наместник князя назначался по согласию с витебской элитой.
К 1351 году было закончено строительство каменных Верхнего и Нижнего замков. За 6 лет до этого Ольгерд передал Витебск своему сыну Андрею. Общая длина замковых укреплений была около 2 километров. Позднее Витебск принадлежал Ягайло, потом – второй жене Ольгерда – Ульянии, из тверского княжеского дома, потом опять Ягайло.
В этот период Витебск – торговый и ремесленный центр на Западной Двине. Витебск торговал с Ригой и Ганзой. Витебские купцы вывозили мед, воск, пеньку, лен, смолу, предметы роскоши. Торговля шла с Москвой, Тверью, Псковом, Новгородом, Чехией, Венгрией, Италией. Город разрастался.
В 1385 году Польша и Литва заключили Кревскую унию – для борьбы против Тевтонского ордена, разгромленного в Грюнвальдской битве 1410 года. Великий князь Литовский Ягайло стал королем Польши и по условиям унии Великое княжество Литовское перестало быть суверенным государством.
В 1386 году против Ягайло выступил Андрей Ольгердович. Его дружины взяли Полоцк и осадили Витебск, но взять город не смогли, и позже потерпели поражение от Ягайло.
В 1393 году Витебск, в котором засел мятежный князь Свидригайло, штурмовали войска Витовта Кейстутьевича. Через месяц осады был взят Нижний замок. Витовт «разбивал мур замку Вышнего беспрестанно», сделал проломы в стенах. Верхний замок был сдан. В 1396 году история повторилась – опять Витовт взял Витебск, выбив оттуда Свидригайло.