Ночная служба является высшей точкой пятидневного фестиваля, кульминацией которого станет воскресная месса.
Понтифик призвал молодежь стать движущей силой общественных изменений и заново отстроить институт Католической церкви.
В субботу он также обратился к священнослужителям, призвав их отринуть удобства храмов и протянуть руку бедным и обездоленным.
Недельный визит папы в Бразилию заканчивается в воскресенье.
Обращаясь к собравшимся со сцены, на которой была возведена импровизированная церковь, папа Франциск коснулся темы уличных протестов, которые не утихают в Бразилии уже больше месяца.
"Преодолеть апатию"
"Молодые люди, которые выходят на улицу, хотят стать движущей силой изменений. Пожалуйста, не дайте стать движущей силой другим, - сказал понтифик. - Продолжайте преодолевать апатию и предлагать истинно христианский путь решения социальных и политических проблем, возникающих по всему миру".
В субботу папа призвал официальные власти и лидеров гражданского отказаться от "эгоистичного безразличия и насильственных протестных акций" и перейти к диалогу.
Он также предостерег от "показного христианства", которое является лишь "данью моде".
За последние 30 лет Католическая церковь потеряла миллоны прихожан, обратившихся к менее крупным христианским учениям.
Всенощное бдение на пляже Копакабана пришлось на предпоследний день визита папы Франциска в Бразилию.
По словам очевидцев, к моменту, когда машина понтифика достигла сцены, все заднее сидение автомобиля было завалено цветами и флагами, которые ему на ходу бросали собравшиеся паломники.
По соседству с христианской молодежью свою демонстрацию проводили активисты, выступающие в поддержку прав женщин, в том числе права на аборт.
"Идите в фавелы"
Перед всенощной папа обратился к бразильским властям и гражданским лидерам страны в городском театре Рио-де-Жанейро.
"Кроме эгоистичного безразличия и насильственных акций протеста, всегда существует еще один вариант - диалог", - сказал понтифик, имея в виду массовые демонстрации, сотрясающие страну с июня.
"Страна начинает расти, когда устанавливается конструктивный диалог между составляющими ее богатейшими культурными компонентами: массовой культурой, университетской культурой, молодежной культурой, культурой художественной и технологической, экономической культурой, культурой семьи и масс-медиа", - добавил он.
Кроме того, в субботу папа вновь повторил свой призыв к католическим священнослужителям выйти на улицы и протянуть руку помощи обездоленным.
В своей речи, обращенной к тысяче католических священников, собравшихся в кафедральном соборе Рио-де-Жанейро, он призвал братию отправиться в фавелы - беднейшие районы бразильских городов, где живут самые социально незащищенные слои населения.
"Нельзя замыкаться в своих приходах, в своих общинах, когда так много людей ожидают слова Божьего", - сказал он.
