במהלך שנת 1941 הגיעה המתיחות בין יפן לארצות הברית לשיא חדש ורוחות מלחמה החלו לנשב באוויר. ביולי של אותה שנה, כתגובה להמשך מגמות הכיבוש היפני בסין ובהודו־סין, החליטו רוזוולט וצ'רצ'יל על הטלת שורה של סנקציות כלכליות על יפן, בהן אמברגו על ייצוא נפט, סגירת תעלת פנמה לספינות יפניות והקפאת נכסים. רוזוולט האמין כי מעשים אלה יביאו לריסונה של יפן, אך הוא לא השכיל לחזות את ההשפעה הקיצונית שהייתה למהלכים אלה על הלך הרוח בהנהגה היפנית. יפן זעמה על התערבותה של ארצות הברית במה שנתפס אצלה כאינטרס לאומי. הסנקציות שהטילו ארצות הברית ובריטניה הביאו לפגיעה קשה בצבאה והביאו אותה למסקנה כי היא חייבת להשתלט על המושבות העשירות בחומרי גלם על מנת להשתחרר מהתלות במערב, וכי יש להילחם בארצות הברית, שהיא המכשול העיקרי להקמת האימפריה היפנית.
ב־6 בדצמבר 1941 קיבל רוזוולט מברק סודי שממנו השתמע כי פניה של יפן למלחמה נגד ארצות הברית. יום לאחר מכן, בבוקר 7 בדצמבר, הפציצו מטוסי הצי היפני את כל בסיסי הגיס האווירי של צבא ארצות הברית בפרל הארבור שבהוואי ואת כל ספינות המלחמה האמריקניות שעגנו במקום. חמש אוניות מערכה, שולת מוקשים אחת ושלוש משחתות טבעו, וחמש אוניות נוספות ניזוקו; 188 מטוסים הושמדו, ו־2,345 חיילים אמריקאיים נהרגו. מתקפת הפתע היפנית שיתקה את כוחה של ארצות הברית באזור, וחיסלה לזמן מה את יכולתה לשלוט במרחב הימי ואפשרה ליפנים לשלוט במרחבי האוקיינוס השקט. לאחר המתקפה, כבש הצבא היפני את גואם, וייק, הונג קונג, סיאם, הפיליפינים, מלאיה, בורמה וסינגפור.
היפנים ביצעו את התקיפה פחות משעה לפני ששני דיפלומטים מטעמם עמדו להיכנס למשא ומתן על צמצום התביעות באסיה ובסין. הם עמדו להיפגש עם שני דיפלומטים מטעם מחלקת המדינה של ארצות הברית. האחרונים נכנסו לפגישה כשהם כבר יודעו על התקיפה, אבל קיבלו הוראה מרוזוולט להתנהג כרגיל, אך הם לא התאפקו, וצעקו על היפנים על המתקפה במהלך המשא ומתן. מיד לאחר המתקפה רוזוולט כינס כינוס חירום במשרדו שבבית הלבן. אחד הסנטורים שאל את רוזוולט כיצד היפנים הצליחו לתפוס אותם "עם המכנסיים למטה". רוזוולט ענה לו, כמעט בבכי: "אני לא יודע. פשוט לא יודע". והוסיף: "כל הצי היה שם! כל הצי!".
יום לאחר המתקפה, נשא רוזוולט את "נאום הקלון" בפני מושב משותף של שני בתי הקונגרס שבו כינה את מתקפת הפתע היפנית . המתקפה תפסה בהפתעה את הציבור בארצות הברית, ועוררה זעם עצום בכל רחבי המדינה. קריאות לנקמה הגיעו מכל הפלגים, החזית הבדלנית התפרקה כליל, והמדינה כולה התאחדה סביב מנהיגותו של רוזוולט שהכריז על מלחמה כוללת נגד האימפריה היפנית. ב־11 בדצמבר, שלושה ימים לאחר המתקפה, הכריזו גרמניה הנאצית ואיטליה הפשיסטית, בנות בריתה של יפן, מלחמה על ארצות הברית. לאחר למעלה משנתיים, נכנסה ארצות הברית עמוק לתוך הבוץ של מלחמת העולם השנייה.
לאחר ההתקפה על פרל הארבור, וכיבוש הפיליפינים, קטעה יפן את מסלול האספקה לסין. רוזוולט נפגש עם צ'רצ'יל בסוף דצמבר ותכנן ברית רחבה בין ארצות הברית, בריטניה, סין וברית המועצות. הברית כללה את תוכניתו של צ'רצ'יל לפלוש לצפון אפריקה (מבצע לפיד) ותוכנית של גנרלים אמריקניים לפלוש למערב אירופה, בעיקר לגרמניה (מבצע סלדג'האמר). בנוסף נוצר הסכם ליצור פיקוד ריכוזי התקפי שיורכב מנציגים אמריקניים, בריטים, הולנדיים ואוסטרליים, שיוכלו להציל את סין ולנצח את יפן. בערב השנה החדשה של 1942, הכריזו צ'רצ'יל ורוזוולט על שיתוף פעולה מלא, שייצג עשרים ושש מדינות שהתנגדו להסכם התלת צדדי.
מעצר היפנים, האיטלקים והגרמנים.
כשהמלחמה החלה, הסכנה שבתקיפה יפנית הובילה ללחץ להעביר אנשים ממוצא יפני שגרו באזורי החוף. הלחץ גבר בגלל חבלות וטרור. ב־19 בפברואר 1942, נאלץ רוזוולט לחתום על צו שהעביר ממקומם מאות אלפי מהגרים יפניים מדור ראשון, שלא הייתה להם אזרחות, וילדיהם, בעלי האזרחות הכפולה. הם נאלצו לוותר על רכושם ועסקיהם, והועברו למחנות מעצר שנבנו במקומות לא ראויים למגורים. לאחר שגרמניה הנאצית ואיטליה הפאשיסטית הכריזו מלחמה על ארצות הברית בדצמבר, 1941, רוזוולט נאלץ גם לעצור אזרחים גרמניים ואיטלקיים ללא אזרחות אמריקנית.
מלחמת העולם השנייה.
רוזוולט רצה בפעולת תגמול מהירה על המתקפה היפנית, ודרש את הפצצת יפן עצמה במהירות האפשרית. בקשתו מולאה עם יציאתה לפועל של הפשיטה של דוליטל, מספר חודשים לאחר מכן. הפשיטה הייתה זריקת מרץ לציבור האמריקאי והביאה להרמת המורל הצבאי. אולם למרות זעמו על יפן, החליט רוזוולט כבר בתחילת המלחמה, לרכז את מרב המאמצים בחזית האירופית מתוך הערכה כי האיום הממשי האמיתי נובע מגרמניה הנאצית, והכנעתה תוביל בסופו של דבר גם לניצחון על יפן. בדיונים שהתקיימו בין "שלושת הגדולים" רוזוולט, צ'רצ'יל וסטלין הוחלט כי ארצות הברית ובריטניה ירכזו את מרב מאמציהם בזירת צפון אפריקה ובזירת האוקיינוס השקט בעוד שברית המועצות תמשיך להילחם בחזית המזרחית. "שלושת הגדולים" בצוותא עם צ'יאנג קאי שק, מנהיג הרפובליקה הסינית, המשיכו לתאם ביניהם את אסטרטגיית המלחמה, בסדרה של ועידות מתוקשרות שהתקיימו לסירוגין לכל אורך המלחמה. בין היתר הורה רוזוולט על הקמת המשרד לשירותים אסטרטגיים ומינה את ידידו ויליאם ג'יי. דונובן לעמוד בראשו.
ב־1942 חל מפנה במלחמה לטובת בעלות הברית. כוחות בריטים ואמריקאים נחלו הצלחה בכמה זירות עיקריות שהסבו נזק רב ואבדות כבדות למדינות הציר. הוורמאכט נחל הפסד צורב בקרב אל־עלמיין השני והרוסים ניצחו בקרב סטלינגרד והחלו בהדיפת כוחות מדינות הציר. גם בחזית האוקיינוס השקט חל מפנה כשארצות הברית ניצחה בקרב מידוויי. בעקבות נטיית המלחמה לטובת בעלות הברית, החלו להופיע חילוקי דעות אסטרטגיים בין בעלות הברית, שנסובו סביב נושא הפלישה לצרפת ופתיחת חזית שנייה באירופה. סטלין דרש להוציא את הפלישה לפועל במהירות כדי להסיט את הוורמאכט לחזית השנייה ולהקל על הצבא האדום שהיה מותש וספוג אבדות. צ'רצ'יל העדיף קודם פלישה לאיטליה הפאשיסטית, שלהערכתו הייתה נקודת תורפה של הרייך השלישי ובמבצע לפיד נחתו כוחות בעלות הברית בצפון אפריקה.
בינואר 1943 כינס צ'רצ'יל את ועידת קזבלנקה בהשתתפות צ'רציל ורוזוולט. סטלין הוזמן גם הוא, אך לא הגיע. בוועידה זו הסכימו בעלות הברית להמשיך לתת דגש ללחימה באגן הים התיכון. בפגישה זו רוזוולט גם תמך באנרי ז'ירו כמנהיג של צרפת החופשית במקום הגנרל שארל דה גול.
רבים בהנהגה הצבאית בארצות הברית היו בדעתו של סטלין, והאמינו כי פלישה לצרפת תביא לסיום מהיר של המלחמה. למרות זאת, רוזוולט תמך בתוכניתו של צ'רצ'יל, ובקיץ של שנת 1943 פלשו בעלות הברית לסיציליה וממנה פלשו לאיטליה עצמה. הקרב שהתפתח היה קשה מאוד ונמשך למעלה משנה וחצי. בוועידת טהראן, שהתקיימה בסוף אותה שנה, הוחלט סופית לרכז את מרב המאמצים בפתיחת חזית שנייה בצרפת. רוזוולט הבטיח לסטלין להביא להאצת ההכנות למבצע ולהוציאו לפועל במהירות האפשרית.
לקראת בוא הקיץ בשנת 1944 תמו ההכנות למבצע. רוזוולט בחר בגנרל דווייט אייזנהאואר על פני ג'ורג' מרשל לעמוד בראש כוח הפלישה המשותף של בעלות הברית. הפלישה קיבלה את הקוד מבצע אוברלורד ויצאה לפועל ב־6 ביוני 1944 בנחיתתם של למעלה מ־300 אלף חיילי בעלות הברית בחופי נורמנדי, במה שנחשב לפלישה הימית הגדולה בהיסטוריה. עם שוך הקרבות הראשונים ברור היה כי המבצע נחל הצלחה רבה. גרמניה אולצה לפצל את כוחותיה לשניים דבר שהחליש את כושר עמידתה. בעלות הברית השתלטו על חופי צרפת והחלו בהדיפת גרמניה הנאצית ובעלות בריתה אט אט מאירופה. בשלב זה ניצחונן של בעלות הברית היה ברור לכול, וזמנם של הרייך השלישי והאימפריה היפנית היה קצוב.
פרויקט מנהטן.
ב־2 באוגוסט 1939 פנה אלברט איינשטיין במכתב אל רוזוולט, ובו התריע על יכולתה של גרמניה הנאצית לפתוח נשק גרעיני. בעקבות מכתב זה הורה הנשיא להגביר את המחקר בפיזיקה גרעינית. ב־7 במרץ 1940 שלח איינשטיין לרוזוולט מכתב נוסף, כדי לנסות ולהאיץ את יישום הרעיון. רוזוולט מינה ועדה מייעצת, שמימנה ניסוי ביקוע ראשון באוניברסיטת קולומביה בניו יורק. רק במאי 1942, חמישה חודשים לאחר כניסתה של ארצות הברית למלחמה, קיבל רוזוולט החלטה להוציא את התוכנית אל הפועל בהיקף מלא. למטרה זו הוקם פרויקט מנהטן, שקיבל בהוראתו של רוזוולט הקצאת משאבים גדולה ועדיפות גבוהה, ובמסגרתו פותחו פצצות גרעיניות ששתיים מהן הוטלו על יפן עוד במהלך המלחמה.
כהונה רביעית וההידרדרות בבריאותו.
בריאותו של רוזוולט החלה להידרדר במהירות החל מ־1940, ועד הבחירות לנשיאות ארצות הברית שנערכו ב־1944 הוא אובחן כסובל מבעיות בריאותיות רבות, שכללו לחץ דם גבוה, נפחת, טרשת עורקים ותעוקת לב. למרות זאת, מנהיגותו של רוזוולט בזמן המלחמה שימרה את הפופולריות שלו, ובניגוד לבחירות ב־1940, שבהן התמודדותו הייתה נושא שנוי במחלוקת, למעטים היה ספק הפעם כי רוזוולט ינסה לזכות בכהונה רביעית. לאורך כל מערכת הבחירות ניסו הרפובליקנים לנצל את בריאותו הרופפת, וטענו כי הוא חולה מדי ואינו כשיר לשמש כנשיא. חששות אלה לא היו רק נחלתם של הרפובליקאים, וגם קולות מתוך מפלגתו של רוזוולט הביעו דאגה שמא לא יחיה עד סיום כהונתו.