Η Ρουμανία συμμετείχε στην υπό γερμανική ηγεσία εισβολή στη Σοβιετική Ένωση στις 22 Ιουνίου 1941. Ο Ιόν Αντονέσκου ήταν ο μόνος ξένος ηγέτης που συμβουλευόταν ο Χίτλερ για στρατιωτικά ζητήματα 132 και οι δυο τους συναντήθηκαν πάνω από δέκα φορές σε ολόκληρο τον πόλεμο. Η Ρουμανία ανακατέλαβε τη Βεσσαραβία και τη Βόρεια Βουκοβίνα, με μια κοινή γερμανορουμανική επιχείρηση, πριν καταλάβει περαιτέρω σοβιετικά εδάφη και εγκαθιδρύσει το Κυβερνείο της Υπερδνειστερίας. Μετά τη Μάχη της Οδησσού η πόλη έγινε η πρωτεύουσα του Κυβερνείου. Τα ρουμανικά στρατεύματα πολέμησαν στην Εκστρατεία της Κριμαίας μαζί με τα γερμανικά και συνέβαλαν σημαντικά στην Πολιορκία της Σεβαστούπολης. Αργότερα ρουμανικά ορεινά στρατεύματα συμμετείχαν στη γερμανική εκστρατεία στον Καύκασο, φτάνοντας μέχρι το Νάλτσικ. Εχοντας υποστεί τεράστιες απώλειες στο Στάλινγκραντ, οι Ρουμάνοι αξιωματούχοι άρχισαν να διαπραγματεύονται κρυφά συνθήκη ειρήνης με τους Συμμάχους. Το 1943 η ροή των πραγμάτων άρχισε να αλλάζει. Οι Σοβιετικοί προωθήθηκαν δυτικότερα, ανακατέλαβαν την Ουκρανία και τελικά εξαπέλυσαν μια ανεπιτυχή εισβολή στην ανατολική Ρουμανία, την άνοιξη του 1944. Τα ρουμανικά στρατεύματα στην Κριμαία βοήθησαν να αναχαιτισθεί η αρχική σοβιετική απόβαση, αλλά τελικά όλη η χερσόνησος ανακαταλήφθηκε από τις σοβιετικές δυνάμεις και το Ρουμανικό Ναυτικό εκκένωσε πάνω από 100.000 γερμανικά και ρουμανικά στρατεύματα, επίτευγμα που χάρισε στον Ρουμάνο Ναύαρχο, Χορία Ματσελαρίου, τον Σταυρό των Ιπποτών του Σιδηρού Σταυρού. Κατά την Επίθεση Ιασίου-Κισίνιεφ των Σοβιετικών τον Αύγουστο του 1944 η Ρουμανία άλλαξε στρατόπεδο, στις 23 Αυγούστου 1944. Στη συνέχεια τα ρουμανικά στρατεύματα πολέμησαν μαζί με τον Σοβιετικό Στρατό μέχρι το τέλος του πολέμου, φτάνοντας μέχρι την Τσεχοσλοβακία και την Αυστρία.