D'Argenlieu fue llamado al servicio activo en 1939, al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, como capitán. Fue arrestado en junio de 1940, pero escapó para unirse a las fuerzas de la Francia Libre con el General Charles de Gaulle. En agosto de 1940, participó y resultó herido en el ataque fallido contra las fuerzas francesas de Vichy en Dakar y luego asumió el mando de las Fuerzas navales de la Francia Libre en el África ecuatorial.