В годы Великой Отечественной войны Бологовский железнодорожный узел приобрёл важное стратегическое значение. Через него осуществлялось снабжение армий войсками, техникой, боеприпасами, продовольствием Калининского, Ленинградского, Северо-Западного и Волховского фронтов, а в обратную сторону шли эшелоны с ранеными. Немецкое командование понимало роль этого транспортного узла, поэтому в условиях Битвы за Москву немецкая авиация совершила на Бологое 527 авианалётов; на небольшой участок земли было сброшено несколько тысяч бомб. Станция получила повреждения, многократно вспыхивали пожары, гибли люди, но благодаря героизму железнодорожников и местных жителей она продолжала работать. В 1970 году в честь подвига железнодорожников на перроне вокзала в Бологом была открыта мемориальная стела. В 1985 году Указом Президиума Верховного Совета СССР за исключительные заслуги в обеспечении фронта всем необходимым станция Бологое-Московское была награждена орденом Отечественной войны I степени.
Памятник железнодорожникам, погибшим в Великой Отечественной войне. Фотография Егора Цветкова. 2019
В годы войны более 18 тысяч бологовцев ушли на фронт, 7 054 из них погибли. 16 уроженцев и призванных в армию из Бологого были удостоены звания Героя Советского Союза. Осенью 1941 года в Бологом были сформированы два партизанских отряда, которые сражались на оккупированной врагом территории Калининской области. Местное население также участвовало в сборе средств на постройку танковой колонны «Калининский фронт».
В 1965 году на средства, собранные комсомольцами города, в сквере на берегу озера Бологое был установлен мемориал жителям, павшим в годы Великой Отечественной войны. Памятник представляет собой обелиск из гранита с бронзовой звездой на вершине и Вечный огонь на красно-чёрной гранитной плите. Позднее на мемориале были установлены пушки. Этот памятник заметен как со стороны улицы Дзержинского, так и со стороны озера и является важным элементом панорамы города.
Мемориал павшим в годы Великой Отечественной войны. Фотография Егора Цветкова. 2019
После войны в Бологом в кратчайшие сроки удалось восстановить все железнодорожные объекты. В последующие десятилетия была значительно улучшили техническую оснащённость узла и железной дороги, успешно развивалась промышленность. Работали шпалопропиточный завод, швейная фабрика, стекольный и арматурный заводы, завод «Строммашина» и другие предприятия. За доблестный труд четверо жителей города получили звание Героя Социалистического Труда. Активно велось и жилищное строительство: в городе появились два новых микрорайона — Заозёрный и Заводской.