ב-10 באוגוסט הוחלט במטכ"ל האיטלקי על השקת פלישה למצרים. מוסוליני הודיע למפקד הכוחות האיטלקיים בלוב רודולפו גרציאני (Rodolfo Graziani) להכין את כוחותיו לפלישה בספטמבר הקרוב. גרציאני התנגד בתחילה אולם נכנע בסופו של דבר והסכים. ב-9 בספטמבר, פתח חיל האוויר המלכותי האיטלקי בהפצצה על ערי הגבול המצריות, הבריטים מצידם נקמו בהפצצת טוברוק שבלוב. עוד באותו היום נע גרציאני עם הארמייה העשירית לאורך החוף אל סידי בארני. הוא הגיע לשם ב-16 בספטמבר ובשל בעיות לוגיסטיות נאלץ לעצור ולהתחפר בעמדותיו. יחד עם זאת, המחנות היו רחוקים אלה מאלה, ויוול הבחין בכך, וב-8 בדצמבר פתחו הבריטים ב"מבצע מצפן" (Operation Compass), במהלכו איגפו הבריטים את האיטלקים, ותקפו את לוב. האיטלקים היו מופתעים והבריטים קצרו ניצחונות. המפקד הבריטי ריצ'רד אוקונור רצה להמשיך ולכבוש את בנגאזי, אולם נאלץ להפריש חלקים מכוחותיו כדי לשולחם למזרח אפריקה, מה שעיכב את המבצע כולו. בפברואר של שנת 1941 הסתיים המבצע, 130,000 חיילים איטלקיים נפלו בשבי, והדרך לסיום הכיבוש של המושבות האיטלקיות הייתה פתוחה בפני הבריטים, אולם ראש ממשלת בריטניה וינסטון צ'רצ'יל הורה על עצירת הכוחות, והעברת חלק מהם ליוון כדי למנוע את נפילתה. לימים נטען שאילו לא עשה כך, היו הבריטים כובשים את כל צפון אפריקה, ומונעים גם מהגרמנים לנחות שם אולם אז עבר ניהול המערכה לידי הגנרל הגרמני ארווין רומל שפיקד על כוחות השריון הגדולים של קורפוס אפריקה. יחד עם זאת, הכוח העיקרי של מדינות הציר בצפון אפריקה היה עדיין איטלקי. בתחילה נחל רומל הצלחות וכוחותיו הגיעו לגבול מצרים תוך שבועיים. מתקפה בריטית נוספת נכשלה ורומל עשה את דרכו לאל-עלמיין. הצלחה זו גרמה למוסוליני להאמין שהסוף קרב, הוא טס לצפון אפריקה מתוך כוונה להיכנס כמנצח לבירת מצרים, המתין שלושה שבועות וטס חזרה לרומא. בפיקודו של הפילדמרשל ברנרד לו מונטגומרי הושג ניצחון בקרב אל-עלמיין השלישי באוקטובר 1942. ניצחון זה התרחש במקביל למבצע לפיד, הנחיתה האמריקנית בצפון אפריקה הצרפתית ובמקביל לניצחון הרוסי בקרב סטלינגרד שהוריד משמעותית את המורל של כוחות הציר.