Als die französische Regierung sich im Juni 1940, kurz vor dem Waffenstillstand am 22. Juni 1940, nach Bordeaux zurückzog, war er einer von denjenigen, die den Krieg von Französisch-Nordafrika aus fortsetzen wollten. Zusammen mit anderen Politikern und Abgeordneten reiste er an Bord des Linienschiffes "Massilia" nach Marokko. Dort wurde er am 31. August 1940 auf Befehl von General Charles Noguès festgenommen. Er und andere wurden nach Marseille zurückgeschafft; er und drei andere französische Offiziere wurden in Clermont-Ferrand vor ein Militärtribunal gestellt und trotz mehrerer Entlastungszeugen wegen Desertion verurteilt (Mendès France zu sechs Jahren Gefängnis). Er wurde inhaftiert und im Juni 1941 in ein Militärhospital gebracht. Dort gelang ihm am 21. Juni 1941 die Flucht. Er gelangte über Spanien (damals neutral) und Marokko nach Großbritannien, wo er den freifranzösischen Streitkräften unter Charles de Gaulle beitrat. Nach seinem Dienst als Bomberpilot wurde Mendès France von de Gaulle als sein Gesandter in Finanzfragen in das Algier-Komitee entsandt. 1944 nahm er an der Konferenz von Bretton Woods als Chef der französischen Delegation teil.