Como respuesta a la primera invasión, Gran Bretaña y Francia le declararon la guerra a Alemania. Las fuerzas alemanas invadieron Europa occidental en la primavera de 1940. Alentada por los alemanes, la Unión Soviética ocupó los estados bálticos en junio de 1940. Italia, miembro del Eje (países aliados con Alemania), se sumó a la guerra el 10 de junio de 1940. Del 10 de julio al 31 de octubre de 1940, los nazis libraron, y finalmente perdieron, una batalla aérea contra Inglaterra, conocida como la Batalla de Gran Bretaña.
Después de tomar la región balcánica al invadir Yugoslavia y Grecia el 6 de abril de 1941, los alemanes y sus aliados invadieron la Unión Soviética el 22 de junio de 1941, en absoluta violación del Pacto Alemán-Soviético. En junio y julio de 1941, los alemanes también ocuparon los estados bálticos. El líder soviético Joseph Stalin pasó a ser un líder principal de las naciones aliadas en tiempos de guerra que se oponía a la Alemania nazi y a sus aliados del Eje. Durante el verano y el otoño de 1941, las tropas alemanas se adentraron profundamente en la Unión Soviética. El 6 de diciembre de 1941, las tropas soviéticas lanzaron una importante contraofensiva. Un día después, el 7 de diciembre de 1941, Japón (una de las potencias del Eje) bombardeó Pearl Harbor, Hawái; como consecuencia, Estados Unidos ingresó a la guerra en alianza con Gran Bretaña y la Unión Soviética.
En mayo de 1942, la Real Fuerza Aérea Británica llevó adelante un asalto a la ciudad alemana de Colonia con mil bombarderos, y esta fue la primera batalla en territorio alemán. Durante los tres años siguientes, las fuerzas aéreas aliadas bombardearon sistemáticamente ciudades y plantas industriales de todo el Reich, con lo que en 1945 habían reducido a escombros a buena parte de las zonas urbanas de Alemania.
En el frente oriental, durante el verano de 1942, los alemanes y sus aliados del Eje reanudaron su ofensiva en la Unión Soviética con el fin de capturar Estalingrado sobre el río Volga, así como la ciudad de Bakú y los yacimientos petrolíferos del Cáucaso. A fines del verano de 1942, la ofensiva alemana se detuvo en ambos frentes. En noviembre, las tropas soviéticas lanzaron una contraofensiva en Estalingrado y, el 2 de febrero de 1943, el sexto ejército alemán se rindió ante los soviéticos. Los alemanes organizaron una ofensiva más en Kursk en julio de 1943, la mayor batalla con tanques de la historia, pero las tropas soviéticas debilitaron el ataque y ganaron una supremacía militar que no volverían a abandonar mientras dure la guerra.
En julio de 1943, los aliados desembarcaron en Sicilia y, en septiembre, lo hicieron en la Italia continental. Después de que el Gran Consejo del Partido Fascista Italiano depuso al primer ministro italiano Benito Mussolini (un aliado de Hitler), el ejército italiano tomó el poder y negoció la rendición de las fuerzas anglo-estadounidenses el 8 de septiembre. Las tropas alemanas apostadas en Italia tomaron el control de la mitad norte de la península y continuaron resistiendo. Mussolini, que había sido arrestado por las autoridades militares italianas, fue rescatado por comandos alemanes de las SS en septiembre y estableció (bajo supervisión alemana) un régimen títere neofascista en el norte de Italia. Las tropas alemanas continuaron controlando el norte de Italia hasta el 2 de mayo de 1945, fecha en la cual se rindió.
