С первых дней войны в Ярославле — стремительно развивающемся промышленном центре СССР — началась мобилизация. За период войны армию пополнили около полумиллиона жителей Ярославской области, многие из которых отправились на фронт добровольно.
Осенью 1941 года, с захватом противником Твери (в годы войны – Калинин), фронт придвинулся к Ярославлю — город оказался в тылу Калининского фронта. Для защиты города были сформированы зенитные подразделения и авиагруппы. В воздушных боях под Ярославлем принимал участие прошедший путь от простого летчика до командира эскадрильи истребительного авиационного полка ас советской авиации и дважды Герой Советского Союза Амет-Хан Султан, 31 мая 1942 года совершивший свой первый воздушный таран. Была в Ярославской области сформирована и 243-я стрелковая дивизия, вступившая в бой на Калининском фронте в марте 1942 года и дошедшая в итоге до самого Берлина.
При этом до тех пор, пока немецкие войска не были отброшены от Москвы, Ярославль находился под постоянным прицелом врага. Так, начиная с 1941 года немецкие войска производили постоянные авиабомбардировки. Главной целью противника стали крупнейший в СССР Ярославский шинный завод, производивший около 70% этой продукции в стране, выпуская шины для всех видов наземного и воздушного транспорта, а также железнодорожный мост через Волгу. Самый масштабный авианалет, получивший название «Звездный» из-за огромного количества самолетов в небе, состоялся в ночь на 10 июня 1943 года. Спустя десять дней произошла еще одна массированная бомбардировка, и на этот раз врагу все же удалось нанести серьезный ущерб шинному заводу. Однако благодаря героическому труду ярославцев завод удалось полностью восстановить всего за три месяца. Мост же через Волгу так и остался нетронутым.
Важно отметить и то, что с самого начала войны ярославцы активно участвовали в партизанской деятельности. Помимо того, что только в первый год войны в самом городе было сформировано 35 партизанских отрядов, ярославцы участвовали и в других партизанских объединениях. Так, например, командиром отряда, в котором сражалась знаменитая Зоя Космодемьянская — первая женщина, удостоенная звания Героя Советского Союза, — был ярославец Борис Крайнов, а уроженка Ярославской области Елена Колесова, также получившая звание Героя Советского Союза, возглавляла диверсионную группу девушек-десантниц, воевавших на территории современной Беларуси. Уроженцем Ярославской области был Маршал Советского Союза Федор Толбухин, руководивший армией в Сталинградской битвы, участвовавший в освобождении Югославии, Румынии, Венгрии и Австрии, с 1943 года являвшийся командующим Южного фронта, а также генерал Павел Батов, дважды Герой Советского Союза, командующий танковой армией в ходе Сталинградской и Курской битв, операции «Багратион», Берлинской наступательной и многих других военных операциях. На территории современной Ярославской области находится и деревня Брынчаги, в которой родился создатель легендарного танка Т-34 Михаил Кошкин.
Огромный вклад внес Ярославль в тыловую поддержку фронта, обеспечивая его продукцией всех возможных видов промышленности. Так, например, аэродром в Дядьково, находившийся на окраине Ярославля, стал важным звеном пути ленд-лиза. Ярославский автомобильный завод выпускал корпуса снарядов, детали для минометов, ППШ, танков, самосвалы и тягачи. Тормозной завод производил оборудование для железных дорог, компрессоры, снаряды, авиабомбы и гранаты, а электромашиностроительный — выпускал снаряды и генераторы для танков. Ярославский судостроительный завод снабжал Волжскую военную флотилию: изготавливал водолазные боты, бензозаправщики для гидроавиации, речные тральщики, минные плоты и оснащённые «Катюшами» буксирные и быстроходные дивизионные катера. Завод «Пролетарская свобода» производил мины, а «Красный маяк» — электроинструменты и снаряды. Завод «Резинотехника» производил аэростаты для защиты от авианалетов — подобные аэростаты использовались для защиты неба над Москвой, а лакокрасочный завод «Победа рабочих» выпускал краски для военных самолетов и покрытия для подводных лодок. Легкая промышленность, химическая, нефтехимическая, лесозаготовительная, деревообрабатывающая и промышленности, пищевая — все производилось в Ярославле.
При этом тыловая поддержка фронта со стороны Ярославля не ограничивалась промышленным производством: всего за годы войны собрано 146 миллионов рублей. Неоценимый вклад ярославцев был отмечен в названиях подводной лодки «Ярославский комсомолец», танка «Ярославский учитель», звена истребителей «Ярославский пионер» и батареи дальнобойных орудий «Юный ярославец». Кроме того, в Ярославле активно функционировали эвакогоспитали.
За значительный вклад в достижение Победы, массовый трудовой героизм и самоотверженность 455 ярославцев награждены орденами и медалями: 19 человек — Орденом Ленина, 50 — Трудового Красного Знамени, 116 человек — орденом «Знак Почета», медалью «За трудовую доблесть» награждены 117 человек, а «За трудовое отличие» — 98 человек. Кроме того, за время войны 17 предприятий города получили переходящее Красное знамя Государственного комитета обороны.
В 2020 году Указом президента Российской Федерации Ярославль был удостоен почетного звания «Город трудовой доблести».