Cum situația din Europa și Asia era relativ stabilă, Germania, Japonia și Uniunea Sovietică făceau pregătiri. Cum sovieticii se fereau să escaladeze tensiunile cu Germania și japonezii puneau la cale să profite de războiul european pentru a acapara posesiunile europene bogate în resurse din Asia de Sud-Est, cele două puteri au semnat pactul de neutralitate sovieto–japonez în aprilie 1941. Prin contrast, germanii făceau în mod constant pregătiri pentru un atac asupra Uniunii Sovietice, masând trupe la granița sovietică.
Hitler credea că refuzul Regatului Unit de a pune capăt războiului se bazează pe speranța că Statele Unite și Uniunea Sovietică vor intra, mai devreme sau mai târziu, în război împotriva Germaniei. Prin urmare, ei au hotărât să încerce să consolideze relațiile germaniei cu sovieticii, sau, dacă aceasta nu reușește, să-i atace și să-i elimine ca factor. În noiembrie 1940, au avut loc negocieri pentru a stabili dacă Uniunea Sovietică va adera la Pactul Tripartit. Sovieticii au arătat un oarecare interes, dar au cerut concesii din partea Finlandei, Bulgariei, Turciei și Japoniei, ceea ce Germania a considerat inacceptabil. La 18 decembrie 1940, Hitler a emis directiva de a se pregăti o invazie a Uniunii Sovietice.
La 22 iunie 1941, Germania, susținută de Italia și România, au invadat Uniunea Sovietică în Operațiunea Barbarossa, Germania acuzându-i pe sovietici de complot împotriva ei. Lor li s-au alăturat în scurt timp Finlanda și Ungaria. Obiectivele principale ale acestei ofensive-surpriză ofensive au fost regiunile baltice, Moscova și Ucraina, având scopul final de a pune capăt campaniei din 1941 în apropiere de linia Arhanghelsk-Astrahan, de la Marea Caspică la Marea Albă. Obiectivele lui Hitler erau fost eliminarea Uniunii Sovietice ca putere militară, eradicarea comunismului, generarea de Lebensraum („spațiu de trai”) prin deposedarea populației autohtone și garantarea accesului la resurse strategice necesare pentru a învinge restul de rivali rămași ai Germaniei.
Deși Armata Roșie se pregătea înainte de război pentru o contraofensivă strategică, Barbarossa a obligat comandamentul suprem sovietic să adopte o strategie defensivă. În timpul verii, Axa a făcut progrese semnificative în teritoriul sovietic, provocând imense pierderi umane și materiale. De la mijlocul lunii august, cu toate acestea, Înaltul Comandament german a hotărât să suspende ofensiva Grupul de Armate Centru, considerabil epuizat, și să redirecționeze Grupul 2 Panzer pentru a consolida înaintarea trupelor spre Ucraina centrală și Leningrad. Ofensiva de la Kiev a fost foarte reușită, soldându-se cu încercuirea și eliminarea a patru armate sovietice, și a făcut posibilă în continuare înaintarea în Crimeea și în Ucraina orientală, mai dezvoltată industrial (prima bătălie de la Harkov).
Deturnarea a trei sferturi din trupele Axei și majoritatea forțelor sale aeriene din Franța și Mediterana centrală pe Frontul de Est a determinat Regatul Unit să-și reanalizeze strategia de ansamblu. În luna iulie, Regatul Unit și Uniunea Sovietică au format o alianță militară împotriva Germaniei. Britanicii și sovieticii au invadat Iranul pentru a asigura Coridorul Persan și câmpurile petrolifere din Iran. În luna august, Regatul Unit și Statele Unite ale Americii au emis în comun Carta Atlanticului.