Na sobór zaproszono wszystkich, tj. 65 polskich biskupów, ale tylko nieliczni otrzymali paszporty. Delegację polską stanowili metropolici: Stefan Wyszyński i Antoni Baraniak, trzynastu biskupów diecezjalnych i dziewięciu biskupów pomocniczych. Przesłali oni do Sekretariatu Soboru 38 postulatów. Polacy pracowali w komisjach przygotowujących sobór, w skład komisji soborowych weszło siedmiu polskich biskupów: Stefan Wyszyński (Sekretariat Spraw Nadzwyczajnych), Herbert Bednorz i Bolesław Kominek (Komisja ds. Apostolstwa Świeckich i Prasy), Edmund Nowicki (Komisja Administracyjna), Franciszek Jop (Komisja Liturgiczna), Michał Klepacz (Komisja ds. Seminariów Duchownych), Antoni Baraniak (Komisja Kościołów Wschodnich). W czasie dyskusji nad schematami o liturgii głos zabierali biskupi: Wyszyński, Jop, Baraniak, Klepacz, Bednorz, Nowicki oraz Józef Gawlina, Karol Wojtyła, Andrzej Wronka, Józef Drzazga, Kazimierz Kowalski, Gerard Bernacki i Antoni Pawłowski. Podczas pierwszej sesji soboru Polacy opowiedzieli się za wprowadzeniem języków narodowych do liturgii, optując za pozostawieniem łaciny w kanonie Mszy św. Ponadto odbyło się spotkanie kard. Stefana Wyszyńskiego z kard. Juliusem Döpfnerem, przewodniczącym Konferencji Biskupów Niemieckich (29 listopada 1962).
Drugiej sesji Vaticanum II (29 września–30 listopada 1963), w której udział wzięło dwóch metropolitów, ośmiu biskupów diecezjalnych i siedemnastu sufraganów, towarzyszył w Polsce „soborowy czyn dobroci”. Akcję prowadzono w dwóch etapach: pierwszy (8 września–27 października) obejmował podejmowanie czynów dobroci w intencji soboru i odnotowywanie ich w „Parafialnej księdze czynów dobroci”. Podczas drugiego etapu (28 października–22 grudnia) delegacje parafialne składały owe księgi na Jasnej Górze. Każdego dnia przybywało do Częstochowy 40–120 delegacji.
W toku drugiej sesji soboru papież Paweł VI powołał prymasa Polski do prezydium kierującego obradami. Podczas tej sesji m.in. bp Klepacz mówił na temat stosunków Kościół – państwo, bp Bednorz o wychowaniu w rodzinie, bp Wojtyła o apostolstwie świeckich, a abp Baraniak o miejscu świeckich w Kościele. W imieniu Episkopatu Polski przemawiał biskup lubelski Piotr Kałwa. Mówił o przywróceniu biskupom pewnych uprawnień zastrzeżonych dotąd Stolicy Apostolskiej i o potrzebie utworzenia organu biskupiego przy papieżu. Z okazji 400-lecia dekretu o seminariach duchownych, w obecności Pawła VI głos zabrał kard. Wyszyński.
W trzeciej sesji soboru (14 września –21 listopada 1964) Episkopat Polski reprezentowało trzech metropolitów (S. Wyszyński, A. Baraniak, K. Wojtyła), 13 biskupów diecezjalnych i 15 pomocniczych. Ojciec Święty mianował prof. Stefana Świerzawskiego audytorem soboru (15 listopada). Episkopat Polski wręczył papieżowi memoriał w sprawie ogłoszenia Najświętszej Maryi Panny Matką Kościoła (21 listopada). Sesji towarzyszyło w Polsce „zwycięstwo nad sobą na rzecz soboru”: w parafiach odbywały się nabożeństwa i modlitwy soborowe. Na ostatnią sesję z Polski przybyło 42 biskupów oraz czterech przełożonych generalnych zakonów i opatów. Arcybiskupi Wojtyła i Kominek wzięli udział w dyskusji nad zagadnieniem apostolstwa świeckich i ateizmem. Dziewięciu polskich biskupów wypowiedziało się na temat Kościoła w świecie współczesnym i posługi kapłańskiej. Ogólnie w czasie obrad soboru polscy biskupi zabrali głos 76 razy.
W pracach soboru uczestniczyli biskupi włocławscy: ordynariusz Antoni Pawłowski (we wszystkich sesjach) i sufragani: Jan Zaręba (sesja trzecia) i Kazimierz Majdański (sesja druga i czwarta). Bp Pawłowski wniósł znaczący wkład w ogłoszenie NMP Matką Kościoła; był honorowym członkiem Papieskiej Akademii Mariologicznej.
Pokłosiem soboru było orędzie biskupów polskich do biskupów niemieckich (18 listopada 1965), uważane za jeden z najważniejszych etapów pojednania polsko-niemieckiego.