22 июня 1941 года войска Третьего Рейха и его союзников без объявления войны вторглись на территорию СССР. В этот же день, указом Президиума Верховного Совета СССР в ряде отдельных местностей были объявлены военное положение и общая мобилизация, ставшая первой за последние 27 лет с момента вступления Российской империи в Первую мировую войну. Германская армия, хотя и уступала советской по количеству техники, но превосходила её по количеству живой силы, будучи полностью мобилизована к началу войны, и смогла достичь значительного преимущества на направлениях своих главных ударов. Из-за этого погиб советский Западный фронт, окружённый двумя из четырёх немецких танковых групп. Второй стратегический эшелон советских армий на 2 месяца задержал противника под Смоленском, после чего 3-я и 2-я немецкие танковые группы были переведены соответственно на ленинградское и киевское направления. Штурм Ленинграда войсками вермахта провалился, а в Киеве попал в окружение советский Юго-Западный фронт. Но наступление на Москву тем самым отсрочилось ещё на месяц, и до осенней распутицы немцы не успели достичь решающих успехов. 20 октября в Москве было введено осадное положение, начались эвакуация и минирование объектов городской инфраструктуры. Тем не менее, в декабре 1941 года Красной Армии удалось отстоять Москву, проведя контрнаступление силами переброшенных с Дальнего Востока дивизий. Это стало возможным после получения данных разведки о том, что Япония не нападёт на СССР до падения Москвы. К началу 1942 года силы РККА и вермахта практически сравнялись по всем показателям.
В декабре 1941 года Советскому Союзу удалось остановить спад в промышленности, произошедший из-за германской оккупации ряда территорий. С марта 1942 года советская промышленность начала расти быстрыми темпами — тем самым закладывались экономические предпосылки коренного перелома в войне.
После поражения Красной Армии под Харьковом немецкие войска в течение лета 1942 года заняли Нижний и Средний Дон, значительную часть Северного Кавказа и уже 17 июля 1942 года вплотную приблизились к Сталинграду, где развернулась Сталинградская битва. 19 ноября 1942 года советские войска перешли в контрнаступление и окружили войска противника. 2 февраля 1943 года капитулировала крупная группировка немецких войск в районе города. Началось освобождение страны.
Решающими событиями летне-осенней кампании 1943 года были Курская битва и битва за Днепр. В ходе Курской битвы Вермахт провёл последнюю стратегическую наступательную операцию на Восточном фронте, пытаясь перехватить инициативу. Однако попытка срезать курский выступ и окружить советские войска потерпела неудачу, и в ходе советского контрнаступления немецкие войска были разбиты, Красной армии удалось освободить Орёл, Белгород и Харьков.
В ходе дальнейшего наступления Красной армии удалось нанести поражения немецким войскам и освободить территории к востоку от Днепра, а после высадки на западный берег в начале ноября освободить Киев.
В ходе кампании 1944 года, Красная армия нанесла немецким войскам ряд крупных поражений, полностью освободив территорию СССР и перенеся боевые действия на территорию европейских стран. В начале 1945 года Красная армия разгромила немецкие войска в Польше, Венгрии и Чехословакии, и к маю взяла Берлин. 9 мая 1945 года Германия капитулировала. Этот день празднуется как День Победы. Советскими войсками был внесён решающий вклад в разгром нацистской Германии, освобождены от нацизма Польша, Чехословакия, Румыния, Болгария, Югославия, Венгрия, частично Австрия и Норвегия.
Коренному перелому и победе СССР в войне способствовал целый ряд факторов, синергетически связанных между собой. В наиболее общем виде можно выделить следующие факторы:

• Патриотизм, массовый героизм и самоотверженность советских людей на фронте и в тылу.
• Рост советских воинских умений и военного искусства.
• Ресурсы (природные, трудовые, социально-демографические, географические, психологические и другие), эффективно мобилизованные плановой экономикой и социалистическим государством.
• Высокое качество руководства — как общесоюзного во главе с И. В. Сталиным, так и на уровне союзных республик, регионов, городов.
• Ряд внешних факторов, в частности, определённую роль сыграла помощь Советскому Союзу от союзников по Антигитлеровской коалиции.

Победа была одержана ценой огромных потерь: людские потери СССР составили около 27 миллионов человек, из которых 15 миллионов человек - гражданские. прямой материальный ущерб достиг почти трети всего национального богатства страны.
По результатам войны к СССР была присоединена часть Восточной Пруссии с городом Кёнигсберг — ныне Калининградская область, и Закарпатье. Также в 1945 году Советская Армия разгромила в Маньчжурии Квантунскую армию Японии, союзницы Германии. 2 сентября 1945 года Япония капитулировала, и по итогам войны СССР возвратил потерянный в русско-японской войне 1904—1905 годов Южный Сахалин и присоединил Курильские острова.

Германия и Советский Союз остались не удовлетворены результатами Первой мировой войны (1914—1918). Советская Россия потеряла значительную территорию в Восточной Европе в результате Брест-Литовского договора (март 1918 года), когда большевики в Петрограде уступили требованиям Германии и уступили контроль над Польшей, Литвой, Эстонией, Латвией, Финляндией и другими районами Центральным державам. Впоследствии, когда Германия, в свою очередь, капитулировала перед союзниками (ноябрь 1918 года), и эти территории были освобождены в соответствии с условиями Парижской мирной конференции 1919 года в Версале, Советская Россия находилась в состоянии гражданской войны, и союзники не признавали её правительство.
В 1936 году в Испании произошёл военный переворот правого толка, который вызвал гражданскую войну. Вскоре этот конфликт приобрёл черты опосредованной войны с участием Советского Союза и левых добровольцев из разных стран на стороне преимущественно испанских коммунистов, в то время как гитлеровская Германия, фашистская Италия, и Португальская республика встали на сторону испанских националистов, во главе с генералом Франсиско Франко. Этот конфликт послужил полигоном и для вермахта, и для Красной армии, чтобы экспериментировать с техникой и тактикой, которые позже были использованы в более широком масштабе во Второй мировой войне.
В 1938—1939 годах произошёл раздел Чехословакии — фактически её захват Германией и Венгрией с переходом одной из областей Польше. При этом Польша готова была объявить войну СССР, если тот направит свои войска на помощь Чехословакии через польскую территорию. Данный эпизод изучается вне рамок Второй мировой войны.
23 августа 1939 года Германия и СССР заключили пакт о ненападении. В соответствии с Секретным дополнительным протоколом, разделившим Восточную Европу между Германией и СССР, 1 сентября 1939 года Германия напала на Польшу, вследствие чего Англия и Франция объявили Германии войну. Это считается началом Второй мировой войны. 17 сентября 1939 года СССР занял восточные области Польши (западную Белоруссию и западную Украину), входившую в его зону интересов согласно протоколу. Польское государство было ликвидировано, его территории разделены между Германией и СССР. Вильнюс был передан Литве, по северной границе которой проходила граница зон влияния Германии и СССР. Зимой 1939—1940 годов СССР напал на Финляндию, признанную его зоной интересов Секретным дополнительным протоколом, и был исключён за это из Лиги наций (Германия вышла из неё в 1933 году).
В течение 1940 года СССР присоединил Эстонию, Латвию, Литву (за исключением Клайпеды, отошедшей в конце 1939 года Германии) и Бессарабию (от Румынии, июнь 1940) в соответствии с Секретным дополнительным протоколом.
Разработка плана нападения Германии на СССР велась по указанию Гитлера с июля 1940 года. К этому времени Германия в Западной Европе захватила Данию, Норвегию, Бельгию, Нидерланды, Люксембург и нанесла поражение Франции. Германии удалось кардинально изменить стратегическую ситуацию в Европе, вывести из войны Францию и изгнать с континента британскую армию. В течение 1940 года в течение битвы за Англию Германии не удалось достичь господства в воздухе, необходимого для проведения десантной операции на Британские острова. Весной 1941 года Германия захватила Югославию и Грецию.

Война в Европе завершилась безоговорочной капитуляцией вооружённых сил Германии 8 мая в 22 часа 43 минуты по центрально-европейскому времени. Боевые действия продолжались 1418 дней. Тем не менее, приняв капитуляцию, Советский Союз не подписал мир с Германией, то есть формально остался с Германией в состоянии войны. Война с Германией была формально окончена 25 января 1955 года изданием Президиумом Верховного Совета СССР указа «О прекращении состояния войны между Советским Союзом и Германией».
24 июня в Москве состоялся парад Победы. На прошедшей в июле — августе 1945 года Потсдамской конференции руководителей СССР, Великобритании и США была достигнута договорённость по вопросам послевоенного устройства Европы.