日军在台儿庄受挫后，便增派援军，重新部署兵力，从南北夹击徐州，企图消灭中国军队主力。在徐州一带的六十万中国军队奉命避免决战，向豫南和鄂北转移。日军占领徐州后，在合肥、芜湖、南京等地集结，沿大别山山麓和长江两岸西犯，目标是攻占武汉。为了保卫武汉，中国调集约一百万军队，组成四个作战兵团进行防御堵截，大小战斗数百次，历时四个月，但终未能阻止日军的进攻，国民政府最高统帅部于10月24日下令放弃武汉。与此同时，日军在广东沿海登陆，国民党军队撤离广州，退至粤北山区固守。武汉撤退后，国民党军政机关迁到长沙。11月底，蒋介石主持在湖南南岳召开的军事会议，制定了抗日战争相持阶段的战略方针，提出以整训部队、强化战力为中心。会议接受了中国共产党强调的游击战略，抽调部队进入敌后。还重新部署军事力量和调整战区，简化了指挥层次，军委会下辖十个战区。

1944年初，世界反法西斯战争进入大规模的战略反攻阶段。日本与南洋的海上交通线被美国切断。侵华日军集中五十一万兵力，发动豫湘桂战役，企图打通大陆交通线，并摧毁中国西南部的空军基地。在豫中、长（沙）衡（阳）、桂（林）柳（州）诸会战中，各地中国陆军在中美空军的支援下，大都进行英勇抵抗，战况激烈，日军伤亡惨重。但由于国民党当局企图保存实力，对抗战趋于消极，对日军冒险进攻的严重性估计不足，使中国损失兵力六七十万。至1944年底，日军侵占了河南、湖南、广西等省大部和贵州、福建省的一部分领土。日军虽一度打通大陆交通线，但兵力更加分散，战线更加延长。1945年春，中国陆军在西南各战区开始反攻，取得湘西战役的重大胜利，并收复南宁、柳州、桂林等地。与此同时，乘大批日军南下之际，中国共产党领导的敌后战场向日伪军展开全面攻势作战。1944年初至1945年春共毙伤日伪军三十八万余人，俘日伪军九万余人，收复县城七十七座。抗日主力部队发展到九十余万人，民兵两百多万。在华北、华中、华南建立了十九个大解放区，使日军占领的大多数城市和重要交通线都处在抗日军队的威胁之下。

由于日本侵华战争的迅速扩大，造成中华民族的严重危机。国民政府召开国防最高会议，决定以军事委员会为抗战最高统帅部，蒋介石出任陆海空军大元帅。另设国防参议会，以各党派的领导人和社会名流为参议员。军事委员会将全国划分为五个战区，颁布战争指导及作战指导计划。蒋介石、阎锡山、冯玉祥、何应钦、李宗仁分别担任各战区司令长官。经过国共两党谈判，国民党在政治方面作出若干改革的许诺，承认了中国共产党的合法地位，并释放了政治犯。抗战开始不久，中国共产党即公布了《抗日九*九*藏*书*网救国十大纲领》，阐明动员全国人民实行全面抗战的主张，并派周恩来、朱德、叶剑英等人参加国防最高会议和国防参议会。为了表示共御外侮的决心和诚意，共产党宣布取消中华苏维埃政府名称和停止土地革命，成立陕甘宁边区政府，红军改编为国民革命军第八路军（总指挥朱德、副总指挥彭德怀，下辖三个师，共四万余人）和陆军新编第四军（军长叶挺），相继奔赴抗日前线。第二次国共合作的形成，对抗日战争的胜利起了决定性的作用，为中国革命开辟了新纪元。

与正面战场国民党军队败退的同时，坚持全面抗战的中国共产党，领导八路军和新四军放手发动群众，开展独立自主的游击战，迅速地开辟了敌后战场，建立了大小十余块抗日民主根据地，其中著名的有聂荣臻统率八路军一一五师创建的晋察冀边区，贺龙、关向应领导的八路军一二○师建立的晋绥边区，刘伯承、邓小平、徐向前统率的一二九师建立的晋冀鲁豫边区，及叶挺、项英、陈毅等率领的新四军开创的江南、江北根据地。此外，还有东北抗日联军和广东华南抗日游击队建立的根据地或游击区。从1938年7月至1941年5月，八路军和新四军对敌作战三万余次，毙伤日军十二万人，伪军八万余人。其中1940年，八路军发动百团大战，持续作战三个半月，毙伤敌伪军二万五千余人。至1940年，抗日根据地人口发展到一亿，军队近五十万。因此，敌后战场逐渐成为抗日战争的主要战场，吸引了侵华日军的主力和几乎全部的伪军。陕甘宁边区首府延安（中共中央所在地）成了全国抗日的中心。共产党在抗战中发展壮大，由抗战初期的约四万党员，增加到八十万，成为完全成熟的全国性的大党。1941年和1942年，由于日伪军的反复“扫荡”和华北地区严重的自然灾害，根据地范围缩小，人口和军队都有所减少。在极端困难的时期，中国共产党发动整风运动和大生产运动，普遍展开反扫荡斗争。至1943年底，根据地又恢复到1940年的规模，为实行战略反攻打下了基础。

日本一面发动大规模的军事进攻，一面通过德国驻华大使陶德曼向中国政府提出“和平谈判条件”，期望中国政府在其武力打击下屈服，但中国政府拒绝接受日本的苛刻条件，日本近卫内阁遂声明“不以国民政府为（谈判）对手”。中国爱国政治力量以团结抗日回答了日本的恫吓。1938年春，国民党在武昌召开临时全国代表大会，通过了《抗战建国纲领》及宣言，表示抗战不达目的，决不中止。对军事、政治、经济及文化工作都加以改善。在军事委员会内设立政治部，以陈诚为部长，邀请周恩来担任副部长，郭沫若担任主管宣传的第三厅厅长。文化艺术界成立了各种抗日救亡团体，在宣九九藏书网传抗日及振奋民族精神方面发挥了重要作用。同时组成有国民党、共产党、国社党、青年党、救国会等各党派和民主人士参加的国民参政会，取代了国防参议会。中国共产党支持国民党当局的抗战活动，毛泽东在延安作《论持久战》的讲演，驳斥了“亡国论”及“速胜论”等错误思想，阐明了抗日战争的总方针。但国民党当局仍拒绝接受中国共产党提出的全面抗战的主张，继续实行其片面抗战方针。国民党决定强化其组织，实行总裁制，以蒋介石、汪精卫为正副总裁，继续坚持一党专制和独裁政策，又成立三民主义青年团，作为国民党控制和训练青年的组织。

对中国共产党领导的抗日民主力量的发展，国民党当局十分恐慌。1939年初，蒋介石在重庆召开国民党第五届中央委员会第五次会议，除表示要继续抗战外，最重要的议题是制定“溶共、防共、限共、反共”的反动政策。这次会议标志着国民党开始推行消极抗战和积极反共的方针。会后，国民党不仅公开叫嚷“取消共产党”“取消陕甘宁边区政府”，还多次制造反共军事摩擦。1941年在安徽泾县茂林地区袭击新四军，制造了震惊中外的“皖南事变”。对于蒋介石国民党的反共活动，中国共产党人作了有力的回击，揭露其内战阴谋，迎击其军事进攻，但为了民族的利益，始终坚持抗日民族统一战线。

日本帝国主义为了实现其征服中国的计划，于1937年7月7日在北平西南的卢沟桥武装挑衅，并由此发动大规模的侵华战争。日本的侵略激起中国人民的无比愤慨，促使爱国的各种政治势力团结御侮，共赴国难。驻守平津的国民革命军第二十九军官兵奋起抗战。中国共产党发出通电，号召“全中国人民、政府和军队团结起来”，抵抗日本的侵略。国民政府军事委员会委员长蒋介石一面密令军队北上增援，一面在庐山发表谈话，表示事变的任何解决，都不得侵害中国主权与领土完整，否则只有抗战到底。国民政府的抗日决策，得到全国人民的拥护和支持。政府虽表明应战决心，但仍幻想英、美列强出面干涉。二十九军因孤军奋战失利，平津终被日军占领。日本侵略者又于8月13日侵犯上海。蒋介石下达全国总动员令。淞沪地区的七十余万中国军队奋勇抵抗达三个月之久。日军以死伤五万人的代价于11月初攻占上海。中国军民损失惨重，但使日本三个月内灭亡中国的梦想破灭。

抗战以来，国民党统治集团始终拒绝实行民主改革，顽固地坚持腐败的独裁制度。1943年8月林森逝世后，蒋介石接任国民政府主席，并兼行政院长，直接掌握藏书网党、政、军大权。他借口适应抗战需要，大力强化独裁统治，加紧反共宣传，鼓吹封建专制主义，摧残进步文化，广设集中营，迫害共产党人和爱国民主人士。同时，由于政府实行对金融和工业的垄断，对农民横征暴敛，使民族工业凋敝，农业经济衰败，物价上涨，人民生活日益困苦。这一切引起国民党统治区人民的普遍不满。中国民主政团同盟（1944年改为中国民主同盟）等党派团体不断要求结束一党专政，实行民主政治。中国共产党派驻重庆的、以周恩来为首的代表团，积极领导和支持国民党统治区人民要求民主的斗争，发展壮大了抗日民主力量。

中国人民的抗日战争博得了全世界人民的同情，许多国家的人民自愿捐款或来华支援中国抗战。中国政府通过各种渠道努力争取欧美国家的财政和军事援助，但在1938年底之前，援助中国的只有苏联政府，美英等国政府主要是道义上的支援。1939年，美国政府废除《美日友好通商航海条约》后，开始向中国提供贷款。处境困难的中国基本上是独自抗击凶恶的日本帝国主义。1941年底太平洋战争爆发，中国对日正式宣战，中国战场与世界反法西斯战场联为一体，美、英与中国正式结盟，在重庆召开了“东亚军事会议”。蒋介石出任中国战区最高统帅，美国将军史迪威为总参谋长。中国远征军进入缅甸配合盟军作战，给日军以重创。1942年，中国从美、英国家得到大量贷款和军火物资援助。次年经过谈判，中国政府与美英等国签订新约，废除了不平等条款，取消了领事裁判权。中美英三国首脑举行开罗会议，商定了联合对日作战计划。此后作为世界四大国（美苏中英）之一的中国，积极参加组建联合国的活动。

由于国民党最高当局实行片面抗战的方针和战略战役上指挥失误等因素，抗战仅一年余，国民政府退到西南一隅，大片国土遭到日军蹂躏。但中国军队的抵抗和战略退却，消耗了日军的力量，使日本速战速决的计划彻底破产，并为持久抗战赢得了宝贵的时间。从1938年底起，日本暂时停止了对正面战场大规模的战略进攻，推行以政治诱降为主的方针，并竭力寻找其代理人，以实现“以华治华、以战养战”的企图。以国民党副总裁汪精卫为首的亲日派屈从日本的压力，散布“再战必亡”的谬论，主张与日本帝国主义“妥协”。经日本特务机关秘密策动，汪精卫一伙于1938年12月从重庆逃往上海敌占区，先组成伪国民党中央，接着于1940年3月在南京组成傀儡政权——“中华民国国民政府”。前此，日本制造的北平“华北临时政府”和南京“维新政府”均并入汪伪政权。日本侵略军在沦陷区进行残暴的殖民统治，推行治安强化运动，建立“大东亚新秩序”，实行烧光、抢光、杀光的三光政策九九藏书。汪伪政权和“满洲国”一样，都是侵华日军的工具，随着1945年日军战败而垮台。

平津陷落后，日本增兵华北，总兵力约三十万，分别沿平绥、平汉、津浦三条铁路线扩大侵华战争。沿平绥线进犯的日军占领张家口、大同。第二战区司令长官阎锡山奉命在山西组织抵抗日军，卫立煌统率的国民党中央军及晋军在忻口一带阻击日军，激战二十余日。八路军也参加忻口会战，一一五师在平型关首战告捷，打破了日军不可战胜的神话。与此同时，沿平汉线南犯之敌占领石家庄之后，分兵西犯。国民党中央军及晋军纷纷南撤，11月9日日军占领太原。由石家庄南犯的日军11月5日陷安阳，刘峙统率的国民党中央军不战而溃。防守津浦路方面的第三集团军总司令韩复榘，弃黄河天险不守，逃到鲁西南。日军12月27日攻陷济南。从此华北战场以国民党军队为主体的防御战争基本结束。

欧洲战场反法西斯战争胜利结束后，1945年7月中、美、英三国发表《波茨坦公告》，促令日本投降，但日本拒绝接受。8月，以外交部长王世杰为首的中国政府代表前往莫斯科，与苏联签订《中苏友好同盟条约》，中国被迫承认有损中国主权的《雅尔塔协定》。同时，美国在日本掷下两枚原子弹。苏联对日宣战，一百万红军进入中国东北。中国军队在各地向日军展开全面反攻，收复国土。8月15日，日本正式宣布无条件投降。中国战区的受降范围包括中国本土（东北三省由苏军受降）、台湾及越南北纬16度以北地区，共有日军一百二十八万，伪军一百四十六万。9月9日，中国陆军总司令何应钦在南京接受侵华日军总司令冈村宁次投降，历时八年的抗日战争胜利结束。

在抗日战争胜利的前夕，国共两党都在考虑战后中国的命运。为了彻底打败日本侵略者，争取抗战的胜利成为人九九藏书民的胜利，1945年4月23日至6月11日中国共产党在延安召开了第七次全国代表大会。会议制定了党的路线，通过了中国共产党章程，选举新的中央委员会，选举毛泽东为中央委员会主席。他所作的《论联合政府》的报告，总结了抗战中国民党和共产党两条不同的路线，指出废除国民党一党专政，建立民主联合政府，才是时局的出路。5月5～21日，国民党在重庆召开了第六次全国代表大会。大会通过了国民党政纲、政策及有关措施，虽也宣布将召开“国民大会”，制定“宪法”，以“实施宪政”，但拒绝成立联合政府。这实际上是坚持一党专政的独裁统治。在这次大会上，国民党还为发动反共内战作了准备。蒋介石连任总裁。国共两党代表大会的召开，表明在战后建立什么样国家的问题上斗争日益尖锐。在此之前，国共两党就对解决国内政治问题进行多次会谈，由于国民党坚持一党专政，妄图限制和取消共产党领导的抗日武装和政权，使谈判陷于僵局。美国为了利用中国抗战力量战胜日本侵略者，在太平洋战争爆发后任命史迪威为中国战区统帅部总参谋长。他与国共两党都保持合作的关系，但1944年10月史迪威被调回国，美国派赫尔利和魏德迈来华，美国对华政策即从联共抗日向扶蒋反共转变。美国对华政策的重大变化，扩大了中国内战的危机。

日本的工业水平和军事装备都远居中国之上。在强敌进攻面前，南京国民政府为了坚持长期抗战，于1937年11月决定迁都重庆。由于蒋介石及政府中枢主要人员迁往武汉，所以1938年10月以前，武汉是中国抗战、内政及外交活动的中心。中国的工业主要集中在以上海为中心的沿海大城市。战争爆发后沿海工业遭到浩劫。为了发展战时生产，支援抗战，资源委员会所属工矿及私营工厂约六百余家在政府的协助下迁往内地，为战时西南和西北大后方工业的发展奠定了基础。同时还有一大批工程技术人员、工人、大中学校师生也陆续内迁。国民党军队从上海撤退后，蒋介石部署了南京保卫战。唐生智奉命统率十余万军队保卫南京。南线日军攻占上海后分三路进犯南京。12月13日南京陷落。日军占领南京后，进行惨绝人寰的大屠杀，有三十多万中国人被杀害。此后，日军一部沿津浦路北上，企图与从华北进入鲁南的日军合围徐州，但被中国军队阻止在淮河一线。同时在李宗仁指挥下，集结在鲁南地区的十二万中国军队与三万日军展开会战，取得台儿庄大捷，消灭日军万余人。