A paktumot Németország csak 1941 júniusáig tartotta be, amikor Franciaország annektálása után kelet felé fordult és megtámadta a Szovjetuniót. A támadás után Molotov sürgős tárgyalásokat kezdeményezett az Egyesült Királysággal és később az Egyesült Államokkal: 1941-ben személyesen is Londonba, a következő évben pedig Washingtonba utazott. 1942-ben aláírta az Angol–szovjet Szövetségi Szerződést. Megszerezte Franklin D. Roosevelt és Winston Churchill beleegyezését abba is, hogy Európában második frontot nyissanak. 1943-ban elkísérte Sztálint a teheráni konferenciára, 1945-ben pedig a jaltai és a potsdami konferenciákra, Ő képviselte a Szovjetuniót a San Franciscó-i konferencián, amelyen megalapították az Egyesült Nemzetek Szervezetét. Kemény tárgyalóként ismerték, aki körömszakadtáig védte a szovjet érdekeket.