日中戦争（支那事変）勃発後の1937年（昭和12年）に、資源局と企画庁を統合した企画院が設置され、満州国の経済改革(満州産業開発五カ年計画)などで功績を挙げた岸信介ら「革新官僚」が登用された。また、近衛文麿を中心とする新体制運動が進められ、1940年（昭和15年）10月には、大政翼賛会が結成され、既成政党は呼応して解党した。翼賛会は、経済新体制を創出する統制会・大日本産業報国会と並んで政治面で日中戦争（支那事変）から第二次世界大戦（太平洋戦争、大東亜戦争）の遂行を支え、「高度国防国家体制」の創設を目指す大政翼賛運動の推進に当った。組織原則では、衆議は尽くすが最終的な決定は総裁が下すという「衆議統裁」形式が採られた。これはナチス・ドイツの組織原則を真似たものであると言われる。総裁は首相が兼任し、初代総裁には近衛が就任した。当初は総裁の指名によって事務総長に近衛側近の有馬頼寧（よりやす）が任命され、中央本部に総務・組織・政策・企画・議会の五局及び23部が設置された。地方にもこの支部が設けられ、支部長の多くは知事・市町村長が任命され、中央・地方に協力会議が設置された。しかしその後部内では主導権争いが頻発し、また1941年（昭和16年）には、公事結社とされて政治活動は禁止され、有馬らの近衛グループは退陣、内務省及び警察主導の行政補助機関に過ぎないものとなっていった。アドルフ・ヒトラーのナチ党率いるナチス・ドイツ及びベニート・ムッソリーニのファシスト率いるイタリア王国との日独伊三国同盟の締結や仏印進駐によって、日本とアメリカ合衆国・イギリス・オランダとの関係は悪化し、戦争中の中華民国を含め物資の入手が困難な状況に陥いり、「ABCD包囲網」を仕組ませられた。日本では、従来陸軍を中心として対ソ連戦争を目指す「北進論」と南方に進出することを目標とする「南進論」との二派があったが、北進論は国境線をめぐり紛争となっていた張鼓峰とノモンハン事件で偵察的な戦闘を行った際にソビエト連邦軍に大敗したことにより頓挫していた。日ソ中立条約を締結し北の守りを固めるなど対米戦争を準備する一方、外務省は1941年（昭和16年）晩秋までフランクリン・ルーズベルト大統領（民主党）率いるアメリカ政府との日米交渉を続けた。しかし、近衛内閣総辞職により、開戦反対の意思を抱いていた昭和天皇の意向も汲み東條英機陸相に組閣の大命が下り、東條内閣にあって軍の強硬姿勢もあり交渉は難航し、国務長官コーデル・ハルより「日本の全ての植民地を返還する事（＝日清・日露戦争以来、日本が獲得してきた極東における権益の全てを放棄することを意味）」などを要求する交渉案を提示され（通称「ハル・ノート」）、これを事実上の最後通牒と解釈した日本は対英米蘭開戦を決定した。こうして太平洋戦争（大東亜戦争）が始まり、日本も枢軸国の一員として第二次世界大戦に参戦するに至った。1941年（昭和16年）12月8日（現地時間12月7日）、日本はアメリカのハワイ州オアフ島・真珠湾の米軍基地及び東南アジアにおけるイギリスとアメリカ、オランダ領の植民地も攻撃し、連合国側に対し宣戦布告した。しかし戦争の前途に確信があったわけではなく、日米開戦には反対の立場でありつつ開戦当初から、山本五十六は「一年間は戦況を維持しうるが、それ以上は無理であろう」と語っていたと言われる。開戦当初、日本軍は今でこそ一般的な航空母艦の艦載機を主力とする航空機を巧みに使用した新しい戦法を用いて、史上初めて航空機のみの攻撃によって活動中の戦艦を撃沈させるなど、アメリカ軍、イギリス軍を相手に連戦連勝を収め、日本国民はこの緒戦の大勝利に酔いしれた。1942年（昭和17年）にはオランダに対しても宣戦布告してインドネシアを攻略、戦線を拡大していった。東條内閣は翼賛選挙を実施し、翼賛政治体制を確立した。また、大日本産業報国会・農業報国連盟・商業報国会・日本海運報国団・大日本青少年団・大日本婦人会の官製国民運動6団体を翼賛会に従属させた。更に町内会と部落会に世話役を、隣組に世話人を置いた。世話役は町内会長が兼任し、全国で約21万人、世話人は隣組長兼任で約154万人であった。町内会は生活必需物資の配給機構をも兼ねていたので、国民生活は隅々まで統制と監視にさらされることとなった。当時、日本の石油備蓄量がわずか2年分であったことから、南方の石油天然資源の確保は日本の至上命令であった。当時、東南アジアは欧米諸国の植民地であったために、この戦争を独立の機会として日本に協力する動きもあったが、日本の強圧的な占領政策により、現地の反発は次第に大きくなっていった。日本はアジアにおける進出の正当性を訴えるため、1943年（昭和18年）10月に、東京でアジア地域の首脳を招請して、大東亜会議を開催し、自主独立、東アジア各国の相互協力などを謳った大東亜共同宣言を発表した。ミッドウェー海戦を皮切りにアメリカはこれまでの劣勢を巻き返し、日本にとって次第に戦況は傾いていった。この海戦で日本は最重要の主力兵器である正規航空母艦4隻を失い、開戦以来の大敗北となった。しかし国民には虚偽の戦況が伝えられ、日本国民は負けていることを知らされていなかった。このころすでに、展望もないまま数百万の大軍を広大な大陸に送り込んでいた中国戦線での消耗も激しかった。また、最重要資源となっていた石油も、制海権を失うことで日本本国への輸送が困難となり、次第に備蓄は底をついていった。兵器・戦略物資の損失を補充するための財政力、工業生産力ともにアメリカ合衆国の数10分の1でしかない日本の戦況は、目に見えて悪化していった。大政翼賛会は本土決戦体制への移行のため、1945年（昭和20年）に解散して、国民義勇隊に改組された。1944年（昭和19年7月にはサイパン島が陥落し、その責任を問われる形で同年7月22日に東條内閣総辞職、小磯國昭首相が就任し小磯内閣が成立する。このことで日本本土は連日のように空襲に晒され（日本本土空襲）、1945年（昭和20年）3月10日には、無差別爆撃により民間人8万人以上が死亡し、焼失家屋は約27万8千戸、東京の3分の1以上の面積（40平方km）に至る惨劇となった東京大空襲が行なわれた。日本国内ではすでに燃料と材料不足で稼動停止していた工場群や道路・港湾・鉄道等の社会資本も徹底的に破壊され、生活物資すら窮乏するようになった。同年4月7日に小磯内閣総辞職、鈴木貫太郎首相が就任し鈴木貫太郎内閣が成立する。1945年（昭和20年）7月26日に、連合国は日本の降伏を要求するポツダム宣言を発表するが、日本政府は「黙殺」の態度をとった。同年8月6日と9日にはアメリカ軍によって世界初の原子爆弾実戦使用として広島市への原子爆弾投下と長崎市への原子爆弾投下が行われ、両市は壊滅し数十万人の民間人が死亡したほか、重い後遺症に苦しむ多数の被爆者を生んだ。戦争の継続が困難となった日本は、中立条約を結んでいたソビエト連邦政府の仲介での和平工作を行ったが失敗した。ヨシフ・スターリンソ連共産党書記長率いるソ連はヤルタ会談での密約、連合国の要請に従って日本に宣戦布告し、満州国に侵攻した。主力を中国戦線に送り込んでいた関東軍は突然の侵攻に総崩れとなり、満州国は崩壊した。2発の原爆投下とソ連参戦を受け、日本政府は御前会議において昭和天皇によるいわゆる「聖断」によって降伏を決定し、ポツダム宣言を受諾する旨を連合国に通告した（8月14日）。翌8月15日正午、昭和天皇の肉声（録音）によるラジオ放送（玉音放送）により降伏の事実は日本国民に伝えられた。その後、日本人の引き揚げは困難を極め、多数の日本人移住者が存在した満州国においては中国残留孤児問題が生じた。ソ連軍によってシベリアに抑留されるもの、中国の国共内戦では中国共産党軍や中国国民政府軍に参軍させられたり、強制労働を強いられ、多くの日本人が虐殺される通化事件のような悲劇も起きた。一方、自らベトナム独立戦争やインドネシア独立戦争に身を投じるものもいた。降伏文書の調印は、1945年（昭和20年）9月2日に、東京湾上のアメリカ海軍戦艦ミズーリ号にて行われた。