隨著汪精衛等投日，幾十萬敵後的地方軍閥部隊投日，也有一部分不滿意國民政府者投向共產黨的部隊。共產黨成為敵後遊擊戰的重要力量。至1940年7月，共產黨已發展至近40餘萬人，並擁有約1億人口的抗日根據地和近200萬的民兵組織。百團大戰後，日軍推行治安強化運動，華北日軍兵力達到47萬，並集中了傀儡政權中能投入戰場的全部軍隊。為應對共產黨方麵的遊擊戰術，日本采用了“保甲製”來斷絕共產黨軍隊與當地民兵的接觸，設立無人區，進行極為野蠻殘暴的“三光政策”，甚至使用違反國際法的生化武器來作戰。共產黨麵對日軍掃蕩的壓力下，全軍實行戰略轉移，化整為零保留實力，開展各種形式的反“掃蕩”鬥爭，如著名的地道戰、地雷戰、麻雀戰、破襲戰等。
1941年12月7日，日本偷襲美國珍珠港後，日本的戰略重心從中國轉變為美國。翌日，美國向日本宣戰，並呼籲世界各國對日本實施貿易製裁。12月9日，中國國民政府正式向德、意、日宣戰。不久之後，除了與日本保持中立的蘇聯以外，英國等同盟國也對日本宣戰。從此中國不再獨立對日作戰，抗日戰爭正式成為第二次世界大戰的一部分。美國加入二戰後，通過滇緬公路和“駝峰航線”從緬甸、印度向中國運送了大批作戰物資，支持中華民國繼續抗戰。
世界各大國的介入對中國抗戰而言帶來了巨大的利益，這也是因為英美出於本身利益考慮而希望中國拖住日本陸軍主力。因此，中國與英國簽訂了友好同盟條約，並與英、美等國簽訂協定廢除了部分不平等條約，令重慶國民政府的國際地位迅速上升。正如美國總統羅斯福在1942年2月7日致電蔣介石的時候所指出的那樣：“中國軍隊對貴國遭受野蠻侵略所進行的英勇抵抗已經獲得美國和一切熱愛自由民族的最高讚譽，中國人民，武裝起來和沒有武裝的都一樣，在十分不利的情況下，對於裝備上占極大優勢的敵人，進行了差不多五年的堅決抗擊所表現出來的頑強，乃是對其它聯合國家軍隊和全體人民的鼓舞。”
香港時間12月8日早上8時，即珍珠港事件後僅數小時，由酒井隆指揮的日本軍隊從深圳向香港發起進攻，香港保衛戰於此開始。12月25日，港督楊慕琦率駐港英軍投降，香港淪陷。同時，日本在國內進一步征兵動員，將戰場擴大至荷屬婆羅門（今印度尼西亞）、菲律賓等英、荷、美在東南亞的殖民地，奪取當地產量豐富的石油、橡膠等戰略資源。並派兵向英國遠東軍進攻，接連攻克英國統治下的殖民地；並在暹羅灣發動主力決戰，將威爾士親王號戰列艦擊沉，標誌著日本在東南亞地區的擴張已無人能敵。
1943年11月，美英中三國政府首腦羅斯福、丘吉爾、蔣介石在埃及首都開羅開會，通過《開羅宣言》，要求戰後日本歸還占領中國的所有領土，包括台灣及其附屬島嶼。至1943年12月，日軍在兵力嚴重不足的情況下，被迫收縮戰線，華北方麵軍停止向抗日根據地的進攻。
戰略反攻階段。
從1944年1月解放區戰場局部反攻至1945年8月日本宣布無條件投降，是戰略反攻階段。
1944年，共產黨領導的敵後軍民在華北、華中、華南地區，對日偽軍普遍發起局部反攻。與此同時，國民黨正麵戰場卻出現了大潰敗的局麵，先後喪失了河南、湖南、廣西、廣東等省的大部分和貴州省的一部。
日軍在太平洋戰場的形勢惡化，兵力不足與物資緊缺到驚人的程度：橡膠、鋼鐵被列為國家資源，禁止向民間出售；華北地區的資源生產遭到當地民兵與八路軍連續不斷的襲擾，絕大多數地區喪失了生產能力。為了取得東南亞地區的物資，必需打通中國沿岸的航線，於是日本於1944年發起了豫湘桂會戰。日本華北方麵軍輕易擊潰湯恩伯在河南省的大軍，打通了平漢線之河南至武漢段。之後，華中日軍乘勝追擊，在第四次長沙會戰中擊敗薛嶽，一路追擊至湖南南部重鎮衡陽。黃埔將領方先覺率部頑強抵抗47天，最終城破。華中日軍與華南日軍又聯手發起桂柳戰役，一路占領廣西，打通湘桂鐵路，最後打到貴州獨山，震動重慶；另一路則從衡陽南下與廣州北上的日軍打通粵漢鐵路。全國輿論嘩然，各界痛斥。此役日軍事先精心準備，兵力也經過大大補充；國民革命軍一方麵因為長期的“消極抗日、積極反共”，另一方麵精銳部隊被史迪威調往西南戰場，加之腐敗成風、軍人素質低下，導致豫湘桂會戰的大潰敗。日軍最終控製了華南交通動脈粵漢鐵路，將“大陸交通線”完全打通。這場戰爭盡管達到了日軍的作戰的企圖。可是，日本人無力去維護“大陸交通線”的暢通，並且分散了日軍的兵力，為中國軍隊反攻提供了條件。