Lịch sử Liên Xô (1927–1953)
Cuộc chiến tranh vệ quốc vĩ đại

Bài chi tiết: Mặt trận phía Đông (Thế chiến II)
22 tháng 6 năm 1941, Hitler bất ngờ xé bỏ hiệp ước không xâm phạm lẫn nhau và tấn công Liên xô (xem Chiến dịch Barbarossa). Cuộc tấn công của Phát xít đúng lúc Hồng quân không chuẩn bị. Một điều được nhiều người tin tưởng rằng đó là bởi vì một số lượng lớn sĩ quan quân đội (ước tính 40.000 người) đã bị bỏ tù trong cuộc thanh lọc chính trị từ 1936-1939.
Sử dụng các quan hệ của mình với đảng Phát xít Đức, điệp viên của NKVD, Richard Sorge đã khám phá được chính xác thời gian kế hoạch tấn công Liên xô của Đức. Thông tin này được báo với Stalin, nhưng bị bỏ qua vì ông ta cho rằng đó là tin giả để kích động Liên Xô tuyên chiến trước, mặc dù lời cảnh báo không chỉ đến từ Sorge, mà cả từ Winston Churchill và các nguồn khác.
Người ta cho rằng ban đầu Stalin từ chối tin rằng Phát xít Đức đã xé bỏ hiệp ước và tự nhốt mình trong phòng. Tuy nhiên những chứng cứ mới cho thấy Stalin đã ngay lập tức gặp nhiều thành viên cao cấp chính phủ Xô viết và nhiều tướng lĩnh, gồm cả Vyacheslav Molotov (Uỷ viên uỷ ban nhân dân về đối ngoại), Semyon Timoshenko (Uỷ viên uỷ ban nhân dân về quốc phòng), Georgy Zhukov (Chỉ huy Hồng quân), Nikolai Kuznetsov (Chỉ huy cả vùng Bắc Caucasus và quân đội Baltic), và Boris Shaposhnikov (Phó Uỷ viên nhân dân về quốc phòng). Tất cả trong những ngày đầu tiên của cuộc tấn công, Stalin đã gặp hơn 15 thành viên chính phủ Xô viết và bộ máy quân sự.
Các đội quân Phát xít Đức tiến tới vùng ngoại ô Moskva vào tháng 12 năm 1941, nhưng bị phản công tại sườn phía Nam và phải rút lui. Tại Trận Stalingrad năm 1942-43, sau khi Liên xô mất khoảng 1,1 triệu quân trong trận chiến đẫm máu nhất trong lịch sử thế giới, Hồng quân đã có thể lấy lại thế chủ động chiến tranh. Vì Nhật Bản không muốn mở một mặt trận thứ hai tại vùng Mãn Châu, những người Xô viết đã có thể điều động hàng chục sư đoàn quay trở lại từ phía Đông nước Nga. Các đơn vị đó là công cụ để làm thay đổi cục diện cuộc chiến, bởi vì đa số các đơn vị này còn sung sức do chưa tham chiến. Các lực lượng Xô viết nhanh chóng chiếm lại các vùng đất bị mất trước kia và đẩy kẻ thù đang bị giãn căng quá mức của họ quay trở lại nước Đức Phát xít. Tới năm 1944, người Đức đã bị đẩy ra khỏi lãnh thổ Liên Xô quay trở về phía bên kia bờ sông Vistula, ngay phía đông Phổ. Với Nguyên soái Georgy Zhukov tấn công từ Phổ, và Nguyên soái Konev chia cắt nước Đức làm hai phần từ phía nam số phận nước Đức Phát xít đã được định đoạt. Ngày 2 tháng 5 năm 1945 những người lính Đức cuối cùng đầu hàng quân đội Liên xô ở Berlin. Đánh dấu thắng lợi của Liên bang Xô viết là hình ảnh một binh sĩ giương lá cờ Liên Xô bên trên toà nhà quốc hội Đức (Reichstag) trong thủ đô Phát xít, Berlin.
Chiến tranh thế giới thứ hai đã làm hơn 20 tới 26 triệu người Xô viết thiệt mạng, 1.710 thành phố, thị trấn và hơn 70.000 làng mạc bị phá huỷ, 32.000 cơ sở công nghiệp, 98.000 nông trang tập thể, nhiều công trình văn hóa của Liên bang Xô viết bị phá huỷ, hơn 25 triệu người mất nhà cửa. Tổng cộng, Liên Xô mất gần 30% tài sản quốc gia và gần 1/8 dân số. Các trận đánh như Trận Moscow, Trận Stalingrad, Trận Kursk, Chiến dịch Bagration là những chiến dịch có quy mô, sức tàn phá và số thương vong ghê gớm nhất trong Chiến tranh thế giới thứ hai. Dù vậy, mỗi người dân Liên Xô đã có những nỗ lực lao động phi thường để bù đắp tổn thất và góp phần làm nên chiến thắng chung cuộc. Chỉ trong 1 năm rưỡi (từ tháng 6/1941 đến hết 1942), Liên Xô đã sơ tán hơn 2.000 xí nghiệp và 25 triệu dân và sâu trong hậu phương. Các nhà máy tăng nhanh tốc độ sản xuất, năm 1942, sản lượng vũ khí của Liên Xô đã tăng gấp 5 lần so với 1940 và đã bắt kịp Đức, tới năm 1944 thì đã cao gấp đôi Đức.
Giai đoạn 1941-1945, trung bình mỗi năm Liên Xô sản xuất được 27.000 máy bay chiến đấu, 23.774 xe tăng và pháo tự hành, 24.442 khẩu pháo (từ 76mm trở lên); con số này ở phía Đức là 19.700 máy bay chiến đấu, 13.400 xe tăng và pháo tự hành, 11.200 khẩu pháo. Nhờ sản lượng vũ khí khổng lồ, sau chiến tranh, Liên Xô đã có trong tay một lực lượng lục quân mạnh nhất thế giới với 13 triệu người, trang bị 40.000 xe tăng và pháo tự hành và hơn 100.000 khẩu pháo các loại.