D’Argenlieu ging bij de Vrije Fransen om in eerste instantie te dienen als kapelaan, maar nam de taken van een marineofficier op zich met een speciale vergunning van zijn religieuze superieuren vanwege het kleine aantal marineofficieren bij de Vrije Fransen. Hij werd stafchef in juli 1940. Hij probeerde de gouverneur van Dakar die loyaal was aan Vichy-Frankrijk over te halen om zich aan te sluiten bij de Gaulle. Hij raakte op 23 september 1940 zwaargewond toen hij onder vuur werd genomen in zijn kleine en onbewapende boot tijdens de Slag om Dakar. In november leidde hij de succesvolle operaties bij de herovering van Gabon.