太平洋戦争勃発後の1943年（昭和18年）9月、ソロモン諸島の戦い激化のため第17師団は南方転用されることとなった。師団主力はニューブリテン島へ進出したのに対し、連隊は第17歩兵団司令部などとともにブーゲンビル島へ分遣された。海上輸送中に連隊の第1大隊は海没し、別の2個中隊は輸送船が損傷したため小型舟艇に乗り換えて進出した。ただちにブーゲンビル島の戦いへ加わり、島北部の守備を担当した。1944年（昭和19年）7月にブーゲンビル島所在の第17師団関係の部隊を整理して独立混成第38旅団が新設されると、歩兵第81連隊は同旅団唯一の歩兵連隊としてその中核を担った。独立混成第38旅団は、歩兵第81連隊を主力に持久戦闘を継続しつつ、1945年（昭和20年）8月の終戦を迎えた。