В 1960е годы город продолжал активно развиваться. Начали работу ламповый завод и ГПЗ, существующие трамвайные линии уже не обеспечивали возросшие пассажиропотоки. Дабы связать два промышленных района города через центр, решено было построить троллейбусную линию. Изначально правительство УССР не давало добро на пуск троллейбусного движения в Виннице, поэтому все работы по строительству первой линии были проведены тайно под видом освещения улиц.
1963 году из Кишинева прибыли 4 списанные машины МТБ-82Д и одна ЯТБ-4 из Одессы, которые были полностью восстановлены на месте.
30 декабря 1963 года состоялся полуофициальный пуск линии от пл. Октябрьской по ул. Островского, Немировскому шоссе до рабочего поселка масложиркомбината (остановка "Рыбсбыт"), а 18 февраля 1964 года, была официально принята в эксплуатацию первая очередь троллейбусной линии от Октябрьской площади до ул. Карла Маркса.
В конце 1965 года было введено в эксплуатацию временное депо на 25 мест по ул. Островского. К тому времени парк насчитывал 5 машин Киев-5, 2 машины Киев-2, 21 машина ЗиУ-5. МТБ-82Д и ЯТБ-4 к тому времени уже были списаны.
В октябре 1965 года сдана в эксплуатацию новая линия от пл. Октябрьская по ул. Киевской до завода "Стройиндустрия" и объединения "Винницаводоканал". Для этой линии была оборудована передвижная тяговая подстанция (в старом троллейбусе ЯТБ-4).
18 ноября 1967 года линия была продлена от "Водоканала" до северо-восточной промзоны по ул. Тарногородского до ГПЗ-18.
31 декабря 1967 года введена в эксплуатацию новая линия из Замостья по улице Чекистов, Пятничанскому мосту через Советскую площадь, по улицам Дзержинского, Ленина и Пирогова до мединститута.
В ноябре 1968 года проложена новая линия по ул. Кирова и Ленина до ж/д вокзала, куда открыто движение троллейбусов нового маршрута N4 "Мединститут — ул. Ленина — пл. Октябрьская — ж/д вокзал".
В результате такого расширения сеть линий увеличилась с 4,9 км (в 1964г.) до 17,1 км (в 1966г.) и 35,3 км (конец 1968 года); число машин на инвентаре с 31 (конец 1965 года) до 38 (1967 год). В 1968 году поступили 30 троллейбусов, в т.ч. 25 новых ЗиУ-5 и Киев-4; в 1969 году — 11 новых машин.
В 1972 году были получены первые 10 машин ЗиУ-9.
В 1969-73 годах было осуществлено строительство нового троллейбусного депо на 100 машин.
В декабре 1974 года введена в эксплуатацию новая троллейбусная линия на массив "Вишенка" по ул. Спартаковской (ныне ул. Келецкая) до пр. Ленинского Комсомола. Для новой линии поступило 10 троллейбусов ЗиУ-9.
В ноябре 1978 года введена в эксплуатацию линия от пл. Октябрьской по проспекту Коцюбинского до ж/д вокзала (протяженность сети увеличилась с 43,6 км до 48,1 км).
По состоянию на 1 января 1982 года в троллейбусном парке было 13 машин ЗиУ-5 и 118 ЗиУ-9, а уже 1 января 1985 года парк насчитывал 140 машин ЗиУ-9.
Объем перевозок на троллейбусе постоянно увеличивался: в 1973 году было перевезено 29,5 млн.чел., в 1977 году — 45,6 млн.чел., в 1984 году — 57,2 млн.чел., в 1987 году — 69,7 млн.чел., в 1991 году — 82,0 млн.чел., в 1991 году — 82,0 млн.чел., в 1993 году — 94,5 млн.чел. (превысив в этом году объем перевозок на трамвае), в 1994 году — 94,8 млн.чел. Такой рост был связан с освоением линии в большом жилмассиве "Вишенка". Число троллейбусов постепенно увеличивалось: 1986 год — 146; 1989 год — 153; 1991 год – 182.
В ноябре 1990 года открыт маршрут N 6 "Мемориал Освобождения — Ж/д вокзал", было пущено 15 новых машин.
В 1993 году поступили первые три сочлененные машины модели ЮМЗ-Т1.
На 1 января 1995 года общая длина сети составила 64,0 км, имелось одно депо на 100 мест, 178 пассажирских троллейбусов и 7 тяговых подстанций.
За годы независимости Украины развитие троллейбусной сети было более интенсивное, чем трамвайной. Появились новые линии в Тяжилове и на Свердловском массиве. Была построена ветка по улице Фрунзе и Красноармейской на муниципальный рынок.
В 2007 году было закуплено 5 новых троллейбусов Львовского завода ЛАЗ Е183.
С 16 мая 2011 года открыт эксперементальный троллейбусный маршрут №13 "Аграрный университет — Мемориал Освобождения".
1 января 2012 года закрывается маршрут №16 "Муниципальный рынок — Чехова" в связи с низким пассажиропотоком и нерентабельностью.
С 16 февраля 2012 года, в связи с реорганизацией траспортной схемы города, на неопределенное время отменяются три троллейбусных маршрута с Муниципального рынка: №№ 14 (на Водоканал), 16 (на улицу Чехова), 17 (на Свердовский массив). Но будет увеличено количество выпусков троллейбусов на маршруте №15 "Муниципальный рынок-Вишенка".
В 2013 году поступило 2 троллейбуса модели ЮМЗ-Т2 2002 года выпуска, эксплуатировавшихся до 2012 года в г. Киеве. В настоящее время машина 538 прошла КВР в троллейбусном депо г. Винницы. С июня работает на маршрутах города.
16 февраля 2014 года в депо поступил 1 троллейбус марки Богдан 70117.
18 февраля 2014 года исполнилось 50 лет открытия троллейбусного движения в Виннице.