Under den spanske borgerkrigen vervet Nenni seg til de internasjonale brigadene, hvor han ble politisk kommissær for «Garibaldi-brigaden». Etter nederlaget til den andre spanske republikken dro han tilbake til Frankrike, og i 1943 ble han arrestert av tyskere under Vichy-regimet og sendt tilbake til Italia, hvor han ble fengslet på øya Ponza. Etter å ha blitt frigitt i august samme år returnerte han til Roma for å lede det sosialistiske partiet, og etter at Italia overga seg til de allierte i begynnelsen av september 1943 var han leder av Comitato di Liberazione Nazionale (CLN), som var den politiske enheten til de italienske partisanene.