猛訓練を経て、1941年12月8日太平洋戦争開戦。3空は戦果の拡大にともなって、フィリピン・ボルネオ・蘭印と次々に前進した。しかし当時3空の操縦士は日中戦争を経験してきた熟練者揃いで、新米の伊藤には中々出撃の出番は回って来ず、主に基地上空哨戒や留守番役であった。1942年（昭和17年）3月に大幅な人員入れ替えがあり、多くの熟練操縦士が転出して以降は伊藤にも出撃の機会が増えた。3空は3月から8月までの間に、チモール島クーパンやセレベス島ケンダリーを拠点にオーストラリアへの空襲を11回行ったが、伊藤はその内6回出撃している。この時期の連合軍戦闘機は主にP-40で零戦の相手にはならず、対空砲も散発的で余裕をもった戦いができた。ガダルカナル攻防戦の激化にともない、伊藤ら3空の25機が9月から2か月間ラバウルに派遣された。10月3日のガダルカナル攻撃時、燃料コックの故障によって燃料不足となり、ギゾ島近海に不時着水し、5-6時間の漂流後、ガダルカナル島に輸送途中の駆逐艦に救助された。この2か月間での伊藤の戦果はP-39を1機撃墜したのみであった。11月にクーパンに戻ってからはしばらく平穏であった。油田地帯を控えて訓練用燃料が豊富なため隊員の練度も高かった。1943年（昭和18年）1月、連合国はイギリスよりスピットファイアを約100機送り、北アフリカ戦線を経験した熟練操縦士を揃える航空隊を増強した。この情報をつかんだ日本軍は再びダーウィン方面への航空攻撃を行った。3月2日から9月7日まで10回に及ぶ攻撃が行われ、202空（3空より改名）は計101機撃墜（内不確実20、豪側記録によれば38機損失）、味方損失3機を報じている。伊藤はこの10回の攻撃すべてに参加した。11月伊藤は内地帰還となるに先だって、撃墜破32機（撃墜23、地上撃破9）の功績により、202空司令より特別表彰および特別善行章を送られている。内地に戻った伊藤は大分空、次いで筑波空で先任教員として多くの戦闘機操縦士を練成した。1944年（昭和19年）11月、筑波空の教官教員要員で邀撃戦闘機隊が編成された。1945年（昭和20年）2月16-17日、連合軍機動部隊による空襲が行われ、伊藤ら筑波空教員たちも邀撃にあたった。以降は温存策をとったため、これが伊藤最後の空戦になった。その後筑波空姫路派遣隊で8月15日の終戦を迎えた。
1945年4月13日のアメリカ軍による東京大空襲で熱拡散筒が焼失したため、研究は実質的に続行不可能となった。その後、地方都市（山形、金沢、大阪）での再構築をはじめたが、同6月に陸軍が研究を打ち切り、7月には海軍も研究を打ち切り、ここに日本の原子爆弾開発は潰えた。理化学研究所の熱拡散法はアメリカの気体拡散法（隔膜法）より効率が悪く、10%の濃縮ウラン10kgを製造することは不可能と判断されており、京都帝国大学の遠心分離法は1945年の段階でようやく遠心分離機の設計図が完成し材料の調達が始まった所だった。結局日本の原爆開発は最も進んだところでも基礎段階を出ていなかった。日本は、8月6日の広島市への原子爆弾投下、8月9日の長崎市への原子爆弾投下で被爆し、8月14日にポツダム宣言を受諾した（調印は9月2日）。敗戦後、GHQにより理化学研究所の核研究施設は破壊された。なお、この際に理研や京都帝大のサイクロトロンが核研究施設と誤解されて破壊されており、その破壊行為は後に米国の物理学者たちにより「人類に対する犯罪」などと糾弾され、当時のアメリカ陸軍長官であるロバート・ポーター・パターソンが破壊を誤りと認めた（ただし、京都帝大のサイクロトロンの「ボールチップ」と呼ばれる部品は関係者の手で保管され、現在は京都大学総合博物館に収蔵されている）。F研究責任者だった荒勝文策の当時の日誌によると、1945年11月20日に進駐軍将校が来訪し、荒勝は「全く純学術研究施設にして原子爆弾製造には無関係のもの」と抗議したがGHQの命令として受け入れられず、施設破壊後の実験室を「惨憺たる光景であった」と記している。荒勝には施設破壊ばかりではなく研究関連文書やウラン・重水などの提出も求められた。その後、1947年1月に極東委員会が原子力研究の禁止を決議し、占領が終了するまで原子核の研究は一切不可能となった。1945年5月中頃、仁科は会議室に研究者を集め、ニ号研究の中止を決議した。5月末、派遣将校の鈴木辰三郎（航空本部との連絡をしていた）に口頭で「もうウラン爆弾はできない、この状態では無理である」と伝えた。鈴木はただちに航空本部に戻り、それを陸軍大臣に伝える手続きをとった。しかし、この情報は石川町の採掘現場に伝わらず、石川町の生徒たちは玉音放送の日まで作業を続けた。担当の第8陸軍技術研究所の山本洋一少佐は、のちになって「気の毒なことだった」と何度も繰り返したという。熱拡散分離塔の焼失以後、研究者の間に悲観論が徐々に広がりつつある中、鈴木は最後まで研究の継続を強硬に主張していた。飯盛里安の手記「終戦の日の証言」には「当時石川町の選鉱場に残存したアマン百数十トン、モナズ石粉末十数トンを地下に埋めたり川に流したりした」と書いている。これが原因で、数億円相当のウラン鉱石が埋まっているという噂が広がり、1955年ころ山師が町役場に採掘許可を求めて危うく発掘されそうになる騒動があったと伝えられている。理研飯盛研究室助手で理研希元素工業扶桑第806工場長の畑晋（はたすすむ）は私信の中に「…GHQからウラン関係の原材料・製品は没収された」と書いている。理研希元素工業総務部長の新津甚一は手記「南から北へ八十年」の中に「占領軍の技術将校をふくむ数人がジープで工場にやってきたが、驚いたことにわが社がもっていた原鉱石の種類や数量をおよそ正確に知っていた。スパイがしらべたのではないかという話もでたが、東京で予め調べてきたのかも知れない。何れにせよ、現状のままにして管理するよう命ぜられた」と書いている。ニ号研究・F研究には当時の日本の原子物理学者がほぼ総動員され、前記の通り戦後ノーベル賞を受賞した湯川秀樹（F研究）も含まれていた。関係者の中からは、戦後に湯川を始め被爆国の科学者として核兵器廃絶運動に深く携わる者も現れるが、戦争中に原爆開発に関わったことに対する釈明は行われなかった。この点に関し、科学史を専門とする常石敬一は「少なくとも反核運動に参加する前に、日本での原爆計画の存在とそれに対する自らの関わりを明らかにするべきであった。それが各自の研究を仲間うちで品質管理をする、というオートノミー（引用者注：自治）をもった科学者社会の一員として当然探るべき道だったろう」と批判している。ニ号研究に投入された研究費は、当時の金額で約2000万円であった。ちなみに、アメリカのマンハッタン計画には、約12万人の科学者・技術者と約22億ドル（約103億4千万円、当時の1ドル＝4.7円）が投入されている。