Karl II. ging nach diesen Verlusten ins Exil, woraufhin die Macht faktisch an den neuen Ministerpräsidenten Ion Antonescu fiel. Dieser errichtete ein faschistisches Regime, und Rumänien trat den Achsenmächten bei. 1941 beteiligte sich Rumänien im Zweiten Weltkrieg am zunächst erfolgreichen deutschen Überfall auf die Sowjetunion, dem so genannten „Unternehmen Barbarossa“, wodurch die ein Jahr zuvor sowjetisch besetzten Gebiete wieder rumänisch wurden. Außer Bessarabien und dem Norden der Bukowina kam auch die von den Rumänen Transnistrien genannte Region zwischen den Flüssen Dnjestr und Bug hinzu. Die erfolgreiche Operation Jassy-Kischinew der Roten Armee im August 1944 führte zum Sturz Antonescus und zum Frontwechsel Rumäniens. Im Verlauf des Zweiten Weltkriegs verlor Rumänien rund 378.000 Soldaten und Zivilisten. Die rumänische Regierung war im Rahmen des NS-Völkermords an der Ermordung von etwa 270.000 rumänischen Juden aktiv beteiligt.