西安事变后，蒋介石被迫结束十年内战，与共产党实行第二次合作。1937年七七事变后，终于建立了国共合作抗日民族统一战线，蒋介石积极部署和指挥中国军队开赴华北和淞沪前线，抗御日本侵略军。
他先后指挥了淞沪会战，太原会战，徐州会战，武汉会战等重大战役。广大爱国将士奋勇杀敌，至1938年10月，使日军伤亡45万余人，粉碎了日本帝国主义妄图速战速决、迅速灭亡中国的战略计划。蒋介石在政治民主化方面作出一些许诺，释放政治犯，修改反动条例，召开国民参政会等，全国一时出现一片新气象。但由于蒋介石实行片面抗战路线和单纯军事防御的战略战术，又幻想并等待国际“调停”制止日本侵略，因而不能抵御占有很大优势的日本侵略军，华北、东南和华中大片国土相继沦陷。
1938年，蒋介石为阻止日军炸开黄河花园口，淹死百姓89万人。武汉保卫战结束后，抗日战争由战略防御阶段转入战略相持阶段。汪精卫等人则对抗战前途完全失望，叛国投敌。1939年1月，蒋介石任国防最高委员会委员长。他对中国共产党和人民武装力量在抗战中迅速发展壮大忧心忡忡，乃实行溶共、防共、限共、反共的方针，不断制造反共摩擦。
1941年12月太平洋战争爆发后，蒋介石积极开展外交活动，与美、英同盟，任中国战区最高统帅，得到了美国的物资和财政援助。他派中国远征军去缅甸，与英美联军联合作战，打通了中印公路。美、英为了联合中国共同抗击日本，许诺废除不平等条约所规定的在华特权，签订了中美、中英“新约”。1943年11月，蒋介石出席开罗会议，与美国总统罗斯福、英国首相丘吉尔会谈对日联合作战方略及战后和平条件。1945年6月派宋子文等去苏联会谈，8月两国外长签署了《中苏友好同盟条约》及有关协定。