第二次世界大戦が勃発するとORはアメリカとイギリスの科学者たちによって組織的に研究されるようになり、イギリスのパトリック・ブラケットはドイツ海軍の潜水艦（Uボート）が実施した群狼作戦の脅威に対処し、またイギリス本土の防空戦術を確立するためのORが研究された。1941年にブラケットはロイヤル・エアクラフト・エスタブリッシュメント(RAE)から海軍に移籍し、最初はイギリス空軍の沿岸司令部(Coastal Command)で研究したのち、1942年にはイギリス海軍本部で研究した。沿岸司令部オペレーショナル・リサーチ・セクション(CC-ORS)におけるブラケットのチームには、その後ノーベル賞を受賞することになる学者が二人含まれており、その他のメンバーもその後それぞれの分野で第一人者になっていくことになる優秀な面々がそろっていた。彼らは戦争遂行にかかわる数多くの重要な分析業務に携わった。たとえば当時、イギリスは輸送船の損害を抑えるために護送船団方式を採用していたが、これについて、商船に軍艦を随伴させるべきだという原則についてはだいたい意見が一致していたが、船団の規模の大小については意見の一致がなかった。船団はいちばん遅い船に合わせて移動するので、小さな船団の方が速力が速い。また、小さな船団の方がドイツ海軍のUボートに発見されにくいはずだという意見もあった。一方、多数の船団をまとめて大きな護送船団を組むようにすれば、それだけ多くの軍艦を護衛に付けることが出来る。ブラケットのスタッフは、船団の被害はその全船舶数よりも、むしろ護衛艦の数に大きく依存している事を示した。したがって、大きな護送船団を組んで船団の数を減らした方が、小さな護送船団を何度も出すよりも護衛しやすいというのが彼らの結論だった。また、イギリス空軍沿岸司令部が敵潜水艦を捜索・撃沈する際に用いている方法を解析した際には、アナリストの一人が航空機の色は何色なのかと尋ねた。対潜任務にあたっている航空機のほとんどは爆撃司令部の所属で、夜間作戦用の黒色塗装となっていた。CC-ORSの提言により、昼間作戦において、黒色塗装が北大西洋の灰色の空を背景としたカモフラージュ効果の点で最適かどうか、確かめる実験が行われた。実験により、白色塗装の航空機は平均で黒色塗装の航空機より20%近い位置まで来なければ発見できない事が示された。この変更を行えば敵潜水艦の発見回数当たりの攻撃・撃沈数はこれまでの30%増となるはずだった。CC-ORSが手がけた他の仕事としては、航空機投下型の爆雷の爆発深度を平均100フィートから25フィートに変更すれば、撃沈率が向上するだろうと提言したものがある。その理由は、イギリス軍機がUボートに到達する直前になってUボート側が英軍機を発見した場合、100フィートの爆発深度ではUボートに損害を与えられないと考えられ（Uボートが100フィートまで潜航できるほどの十分な時間はないはずだ）、またUボート側がかなり遠くから英軍機を発見した場合は、Uボートは潜航してから針路を変更する十分な時間があるので、爆雷の有効半径20フィート内にそのUボートがいる可能性は低いと考えられるからであった。したがって、標的の位置を推測するしかない深い所での撃沈を試みるよりも、標的の位置がよく分かる水面近くの潜水艦を攻撃する方が有効であった。爆発深度の設定を100フィートから25フィートに変更するまでは、潜航したUボートの1％が撃沈され、14％が損傷を受けたが、変更後は7％が撃沈され、11％が損傷を受けた（特に、潜水艦が浮上時に発見された場合は、攻撃前に潜航できたとしても、成績は11％撃沈、15％損傷に向上した）。ブラケットは感想として「このような些細で単純な戦術の変更によって、これほど作戦（オペレーション）上の利益があがった例は数えるほどしかないであろう」と述べている。イギリス空軍爆撃司令部（Bomber Command）のオペレーショナル・リサーチ・セクション(BC-ORS)では、爆撃司令部が行った調査報告を分析した。この調査では、爆撃司令部はある期間中にドイツへの爆撃任務から帰還した全ての爆撃機を調査していた。ドイツ防空部隊（対空砲）から受けた損傷をすべて記録した上で、機体の最も損傷のひどい箇所に装甲板を追加すべきと勧告していた。この勧告は採用されなかった。なぜなら、その箇所に損傷を受けても生還しているということは、その箇所はたいして重要でないということであり、そんな箇所に装甲板の重量を加えれば、航空機の運動性に悪影響を与えるからである。また、航空機の乗員の一部を削減すれば航空機一機あたりの人的被害を軽減できるとする爆撃司令部からの提案も、空軍司令部により却下された。ブラケットのチームは、帰還した爆撃機が無傷だった箇所にこそ装甲板を追加すべきだという論理的な勧告を行った。その理由は、爆撃司令部の調査ではイギリスに生還した機体だけを調査したため、バイアスがかかっているからである。生還した機体において無傷な箇所は、おそらく機体の重要部分である。つまりそこに敵弾が当たれば、撃墜されてしまって帰還できないのである（したがって無傷の航空機だけが生還できることになる）。「費用対効果」はオペレーションズ・リサーチで多用される指標である。連合軍側の航空機の飛行時間を投入した「費用」とし、ある海域で発見できたUボートの数を得られた「効果」として比較すれば、より費用対効果の高い地域に航空機を振り向けることができる。「費用対効果」の比較によって、計画に有用な「有効比率」を割り出すこともできた。例えば撃沈一隻あたりの機雷敷設数は60個という比率は、さまざまな戦例において共通であった（イギリスの港に対するドイツ軍の機雷、ドイツの海上ルートにおけるイギリス軍の機雷、日本の海上ルートにおけるアメリカ軍の機雷）。またアメリカでは1942年にアメリカ海軍はオペレーションズ・リサーチ・グループ(ORG)を設置して、特定の部隊をどの地域に派遣するのか、部隊の訓練計画をどのように立案するのか、膨大な部隊にどのように補給や整備を計画的に行うのか、などの問題が数学的に研究された。これらの研究成果として対潜戦に用いる捜索理論、戦略爆撃での費用分析などが見られる。沖縄戦にて沖縄本島近海に展開した連合軍艦隊における特攻対策にも応用されている。アメリカではオペレーション・リサーチにより、マリアナ諸島からのB-29による日本爆撃における標的命中率は2倍になった。これは飛行時間の中の訓練比率を4％から10％に引き上げたためである。また、1隻の潜水艦が担当哨戒海域で発見した目標に、他のすべての潜水艦が攻撃できるためのもっとも有効な編成は、3隻チームであることも解明した。また夜間戦闘機には、それまでのツヤ消しの迷彩塗装よりも、ツヤのあるエナメル塗装が最も有効なカモフラージュとなり、更に表面の滑らかな仕上げにより表面摩擦も下がり対気速度も増す事を突き止めた。陸上では、イギリス軍需省の陸軍オペレーショナル・リサーチ・グループ(AORG)のオペレーショナル・リサーチ分隊（複数）はノルマンディー上陸作戦とともに上陸し、ヨーロッパ大陸を進軍していくイギリス軍について歩いた。彼らは砲撃、爆撃、対戦車射撃の有効性などについて解析を行った。戦後出版され、1952年頃日本に輸入され、初期のOR普及に貢献したMorse,P.M. and G.E.Kimball:"Methods of Operational Research"（『ORの方法』）に軍事関係の事例が掲載されているのは、こうした背景を持っているからである。日本においても、第二次世界大戦時に数学や統計学の専門家を集めた同様の組織が存在した。後藤正夫によれば、内閣に戦力計算室が設置され、ニューギニアの戦いにおいての戦力見積もり、部隊配置を研究している。しかし、東条英機内閣総理大臣が視察を行った際、その日を以って廃止されたと言う。このように、研究がなされたといっても、その量や積極性においては米英より劣るようなエピソードであった。この時代のORは理論化が十分ではなく、経験を定式化したものでもORによって導き出された結果と大同小異であった旨の反論がなされている。永井は上述の護送船団問題や艦艇の航空攻撃回避問題において日米が最終的に導き出した回避法に共通する性質があったことを指摘しており、日本の成功例としては「航空機による攻撃効果問題」とも言うべき空母の運用問題である、第一航空艦隊の空母集中配備を例示した。