La situation dans la mer Caspienne se stabilisant, le nombre de bâtiments stationné dans cette mer est progressivement abaissé. Au début du XXe siècle, elle n'est plus composée que de deux canonnières et de quelques bâtiments à vapeur armés. Les marins de la flottille participent activement aux mouvements révolutionnaires qui agitent Bakou en 1903-1905 et à l'implantation du pouvoir soviétique dans la région en 1917. Afin de venir en aide à l'Armée rouge, ils instituent la Flotte militaire de la région d'Astrakhan (en russe : Военный флот Астраханского края, Voyennii flot Astrakhanskogo kraïa) en avril-juin 1918, qui est bientôt renforcée par des torpilleurs et des sous-marins venus de la mer Baltique à l'automne 1918. Le 13 octobre, les Soviétiques la renomment flottille militaire Astrakhan-Caspienne(en) (en russe : Астрахано-Каспийская военная флотилия, Astrakhano-Kaspiiskaïa voennaïa flotiliia). Les bâtiments de la flottille sont capturés par la contre-révolutionnaireRépublique de Caspienne centrale en août 1918 avant d'être repris par les Soviétiques après la chute du gouvernement Müsavat.
Sous l'Union soviétique
En juillet 1919, la flottille militaire Astrakhan-Caspienne est agrégée à la flottille militaire de la Volga (en russe : Волжская военная флотилия, Voljskaïa voiennaïa flotiliia) et renommée flottille militaire Volga-Caspienne (en russe : Волжско-Каспийская военная флотилия). Le 1er mai 1920, les Soviétiques établissent la flotte de la Caspienne, qui comprend alors trois croiseurs auxiliaires, 10 torpilleurs, 4 sous-marins et d'autres bâtiments. Avec la flotte de la Caspienne, la flotte rouge de l'Azerbaïdjan soviétique est également stationnée à Bakou. Ces deux flottes assurent la maîtrise de la mer Caspienne face à l'Armée Blanche. En juillet 1920, les flottes de la Caspienne et de l'Azerbaïdjan sont combinées au sein des Forces navales de la mer Caspienne (en russe : Морские Силы Каспийского моря, Morskiye Sily Kaspiiskogo morya) qui sera par la suite renommée flottille de la Caspienne le 27 juin 1931.
Pendant la Grande Guerre patriotique de 1941-1945, la flottille de la Caspienne permet l'approvisionnement vital en hommes, matériels militaires et en vivres, en particulier pendant la bataille de Stalingrad et pendant les combats dans le Caucase.
Pendant la guerre froide, la mer Caspienne est utilisée pour mener des tests d'ekranoplanes armés de missiles.
Depuis la chute de l'URSS
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Les effectifs de la flottille ne cessent de croitre, le contingent kazakh est envoyé pour servir de base aux Forces navales kazakhes. Pendant plusieurs années, la fédération de Russie maintient une force russo-turkmène basée à Astrakhan.
Le 7 octobre 2015, la marine russe devient la troisième au monde à utiliser des missiles de croisière en opérations en tirant une salve de 26 3M14T depuis la frégate Dagestan (Projet 11661K), et les corvettes lance-missiles Grad Sviazhsk, Uglitch et Velikiy Ustiug (Projet 21631) lors de l'intervention militaire de la Russie en Syrie[1].