W 1939 roku zajęty przez Armię Czerwoną. Po ataku III Rzeszy na ZSRR okupowany przez Wehrmacht od 1 lipca 1941 roku. Wkrótce po opanowaniu miasta przez Niemców ukraińscy nacjonaliści dokonali w Kostopolu pogromu Żydów, w którym zabito kilka osób.
15 lipca 1941 roku grupa marszowa OUN-B wraz z Niemcami zamordowała około 150 osób z miejscowej inteligencji, w tym około 100 Żydów i 50 Polaków.
Ludność żydowska została poddana przez Niemców i podległą im policję ukraińską rozmaitym szykanom i zamknięta w getcie. 16 sierpnia 1941 roku rozstrzelano 480 Żydów a 10 listopada 1941 roku około 1,5 tysiąca. 26 sierpnia 1942 roku Niemcy z pomocą policji ukraińskiej zlikwidowali getto rozstrzeliwując około 2,5 tys. Żydów w lesie 6 km od KostopolaХолокост на территории СССР: Энциклопедия, Moskwa 2009, , s. 468..
22 lutego 1943 roku Niemcy aresztowali komendanta obwodu AK Kostopol ppor. Władysława Grabowskiego „Dęba” wraz z ok. 50 innymi Polakami, których później rozstrzelano.
Od marca 1943 roku Kostopol był schronieniem polskich uchodźców z rzezi wołyńskiej. W mieście stacjonował 202 Batalion Schutzmannschaft, który ochraniał ludność i walczył z UPA.