1937年7月7日，日本挑起卢沟桥事变，发动全面侵华战争。7月31日，蒋介石发表《告抗战全体将士书》，宣告战争已经全面爆发，伟大的中华民族开始了长达八年的艰苦卓绝抗日战争。
1937年8月，中共中央在陕北洛川召开政治局扩大会议，通过了《抗日救国十大纲领》，作为领导全国人民争取抗战胜利的根本方针。 在中国共产党的倡议和督促下，1937年9月，国共两党抗日民族统一战线正式宣告成立。
1937年9月，国民政府组织展开了“太原会战”。共产党派出国民革命军管十八集团军115师协助第二战区司令长官阎锡山进行防御。在平型关战役中，八路军进行了短时间小规模的伏击战，取得平型关大捷，歼敌1000人。 这是全国抗战开始以来中国军队取得的第一个大胜利。
1937年11月20日，日军攻陷上海，中国军队全线崩溃，伤亡25万人。 同一天，中华民国政府立即宣布将首都和所有政府机构由南京迁往陪都重庆。12月13日，日军侵占南京，持续数月残杀中国军民达35万，发生震惊中外的“南京大屠杀”，1938年2月，日军华北方面军企图南下和华中派遣军会合。中国国民革命军在以徐州为中心的地区与日军激战，史称“徐州会战”。台儿庄战役的胜利，以毙伤日军两万多人的战果，成为中国抗战以来最大的胜利。
1938年8月至10月，“武汉会战”是抗日战争中规模最大的会战。10月25日，湖北重镇武汉三镇相继陷落。中国国民政府的作战中心迁往重庆继续抵抗。
为了管理所有占领了的中国国土，日本支持中国人成立傀儡政权，用傀儡政权分化中国的士气与国际影响力。1935年11月25日，殷汝耕在通州成立了“冀东防共自治政府”:1937年12月14日，王克敏在北平成立了“中华民国临时政府”:1938年3月28日，梁鸿志在南京成立了“中华民国维新政府”。后来，德王在日占区设立“蒙疆联合自治政府”。1940年3月30日，汪精卫在日本的保护下，以“还都”的名义在南京成立“中华民国国民政府”。
1939年9月，纳粹德国军队向波兰不宣而战，引发法国，英国向德国宣战，标志着绥靖政策的破产，第二次世界大战正式爆发。 欧美列国放弃了将法西斯国家力量引向苏联的企图，一反早先要求中日和谈的态度，支持中国国民政府进行抗战。1941年12月7日，日本偷袭美国珍珠港，珍珠港事件爆发。 翌日，美国向日本宣战。12月9日，中华民国政府正式公开对日本宣战，中国战场也成为京三次世界大战太平洋战争的一个重要战场。 不久之后，除了与曰本保持中立的苏联以外，英国等同盟国也对日本宣战。 从此，中国不再独立对曰作战，抗日战争正式成为第二次世界大战的一部分。
1943年11月，中美英三国元首在埃及开罗开会，通过《开罗宣言》，要求战后日本归还占领中国的所有领土，包括台湾及其附属岛屿。
1945年7月26日，美英中三国共同发表波茨坦公告，敦促日本无条件投降，否则将予以日本 “最后之打击” 。 8月6日，美军在日本广岛投下第一枚原子弹。3天后，又在长崎投下第二枚原子弹。 苏联也在8月8日对日宣战，发动八月风暴行动，苏联红军于8月9日出兵中国东北。
1945年8月15日，日本天皇宣布无条件投降。1945年9月2日上午9时，在停泊于日本东京湾的美国战列舰 “密苏里号” 上，日本新任外相重光葵和日本参谋总长梅津美治郎代表日本政府在投降书上签字。 第二次世界大战至此正式结束了。9月9日，侵华日军总司令冈村宁次在南京向中华民国政府陆军总司令何应钦呈交投降书。 抗日战争正式结束了。 日本帝国主义的对外侵略战争，以彻底失败而告终。 第二次世界大战也以全世界人民的伟大胜利而结束。
1945年9月，国民政府迁返南京。
