วันที่ 8 ธันวาคม 2484 ญี่ปุ่นเคลื่อนทัพผ่านประเทศไทย มีการปะทะกับญี่ปุ่นหลายจุด จอมพล ป. เห็นว่าการขัดขืนเปล่าประโยชน์ จึงสั่งหยุดยิง ยินยอมให้กองทัพญี่ปุ่นเดินทางผ่านประเทศไทยโดยแลกกับให้ญี่ปุ่นยอมรับเอกราชของไทย ต่อมารัฐบาลเห็นญี่ปุ่นได้ชัยตามสมรภูมิต่าง ๆ ก็เชื่อว่าญี่ปุ่นจะชนะสงคราม จึงเข้าเป็นพันธมิตรกับญี่ปุ่นและประกาศสงครามต่อสหรัฐและสหราชอาณาจักร ฝ่ายเสนีย์ ปราโมช เอกอัครราชทูตไทยประจำสหรัฐในเวลานั้น ปฏิเสธยื่นคำประกาศสงครามไปยังสหรัฐ และก่อตั้งขบวนการเสรีไทย เดือนพฤษภาคม 2485 รัฐบาลนำกำลังเข้ายึดครองรัฐฉาน สถาปนาเป็นสหรัฐไทยเดิม ขณะเดียวกันญี่ปุ่นยังมอบดินแดนมลายูที่ยกให้บริเตนในปี 2452 แก่ไทยด้วย อย่างไรก็ดี ญี่ปุ่นเริ่มเป็นฝ่ายเพลี่ยงพล้ำในปี 2487 ไทยประสบปัญหาขาดแคลนสินค้าจำเป็น การเพิ่มภาษีและเงินเฟ้อที่พุ่งสูง ทั้งยังเผชิญกับการทิ้งระเบิดทางอากาศของฝ่ายสัมพันธมิตร เดือนกรกฎาคม 2487 จอมพล ป. พิบูลสงครามแพ้มติในสภาผู้แทนราษฎรจึงลาออกจากตำแหน่ง ทั้งนี้ เหตุผลหนึ่งคือ ส.ส. ต้องการพัฒนาความสัมพันธ์กับฝ่ายสัมพันธมิตรและเห็นว่าจอมพล ป. คือสายสัมพันธ์ในอดีตกับญี่ปุ่น และเลือกควง อภัยวงศ์เป็นนายกรัฐมนตรีแทน ช่วงปลายสงคราม รัฐบาลพยายามอย่างยิ่งที่จะให้รอดพ้นจากข้อเรียกร้องของฝ่ายสัมพันธมิตร โดยพยายามเสนอขบวนการเสรีไทยในประเทศให้ฝ่ายสัมพันธมิตรใช้เพื่อต่อต้านญี่ปุ่น และไทยพึ่งความสัมพันธ์กับรัฐบาลสหรัฐ