Diante da pandemia de COVID-19 e da escassez de ferramentas para orientar as ações de vigilância, controle e assistência de pessoas infectadas, o presente artigo tem por objetivo evidenciar áreas de maior vulnerabilidade aos casos graves da doença na cidade do Rio de Janeiro, Brasil, caracterizada por grande heterogeneidade socioespacial. Para o estabelecimento dessas áreas foi elaborado um índice de vulnerabilidade aos casos graves de COVID-19 com base na construção, ponderação e integração de três planos de informação: a densidade intradomiciliar média, a densidade de pessoas com 60 anos ou mais (ambas por setor censitário) e a incidência de tuberculose por bairros no ano de 2018. Os dados referentes à densidade intradomiciliar e de pessoas com 60 anos ou mais provêm do Censo Demográfico de 2010 e os de incidência de tuberculose do Sistema de Informação de Agravos de Notificação (SINAN). A ponderação dos indicadores que compuseram o índice foi realizada por meio da Análise Hierárquica de Processos (AHP), e os planos de informação foram integrados pela Combinação Linear Ponderada por álgebra de mapas. A espacialização do índice de vulnerabilidade aos casos graves na cidade do Rio de Janeiro evidencia a existência de áreas mais vulneráveis em diferentes porções do território, refletindo a sua complexidade urbana. Contudo, é possível observar que as áreas de maior vulnerabilidade estão nas regiões Norte e Oeste da cidade e em comunidades carentes encrustadas nas áreas nobres como as zonas Sul e Oeste. A compreensão dessas condições de vulnerabilidade pode auxiliar no desenvolvimento de estratégias de monitoramento da evolução da doença, bem como para o direcionamento das ações de prevenção e promoção da saúde.