Ngày 7 tháng 7 năm 1937, Nhật Bản phát động Sự kiện Lư Câu Kiều, Chiến tranh Trung-Nhật bùng phát toàn diện. Đến tháng 12 cùng năm, thủ đô Nam Kinh của Trung Hoa Dân Quốc thất thủ, Chính phủ Quốc dân triệt thoái đến Trùng Khánh. Thời kỳ Chiến tranh kháng Nhật, Quốc dân Cách mạng quân ước tính có 1,7 triệu người nhập ngũ tác chiến, mặc dù Quốc dân Cách mạng quân ở thế yếu trong suốt chiến tranh do các nhân tố như trang bị và kinh tế, song vẫn cầm chân thành công quân Nhật trên chiến trường Trung Quốc, và giành thắng lợi trong một số chiến dịch. Ngày 7 tháng 12 năm 1941, Nhật Bản tấn công Trân Châu Cảng mở màn Chiến tranh Thái Bình Dương, sang ngày 8 Hoa Kỳ tuyên chiến với Nhật, đến ngày 9 Chính phủ Quốc dân chính thức tuyên chiến với Nhật, gia nhập Đồng Minh, Anh Quốc cũng mở tuyến đường Vân Nam-Miến Điện để vận chuyển cung cấp vật tư. Nhật Bản lần lượt thành lập các chính quyền bù nhìn như Chính phủ Tự trị Liên hiệp Mông Cương, Chính quyền Uông Tinh Vệ, ngày 9 tháng 1 năm 1943 Chính phủ Quốc dân Uông Tinh Vệ tuyên chiến với liên minh Anh-Mỹ. Đầu tháng 8 năm 1945, Hoa Kỳ thả bom nguyên tử xuống Nhật Bản, đồng thời Liên Xô tuyên chiến với Nhật, xuất binh chiếm cứ khu vực Đông Bắc Trung Quốc. Ngày 15 tháng 8 năm 1945, Thiên hoàng Nhật Bản tuyên bố Nhật Bản đầu hàng vô điều kiện, đến ngày 2 tháng 9 cùng năm Nhật Bản ký vào Văn kiện đầu hàng. Ngày 9 tháng 9, Chính phủ Quốc dân tiếp nhận thư đầu hàng của Nhật Bản tại Nam Kinh, đến lúc này Trung Hoa Dân Quốc giành thắng lợi trong Chiến tranh kháng Nhật, đến năm sau dời thủ đô về Nam Kinh. Chính phủ Quốc dân căn cứ theo Tuyên bố Cairo và Tuyên bố Potsdam không chỉ thu hồi lãnh thổ bị Nhật Bản chiếm cứ trong chiến tranh và khu vực Mãn Châu do Nhật Bản khống chế, mà còn tiếp quản Đài Loan và Bành Hồ bị nhà Thanh cắt nhượng cho Nhật Bản. Đồng thời, Chính phủ Quốc dân thông qua đàm phán khiến các quốc gia Âu-Mỹ triệt tiêu các điều ước bất bình đẳng, và cùng với các quốc gia như Anh Quốc và Hoa Kỳ đổi sang ký kết các điều ước bình đẳng.