1937年7月6日，驻丰台日军不顾大雨、道路泥泞，在芦沟桥铁路桥东北龙王庙演习场地，以芦沟桥为攻击目标，进行攻击演习，至宛平城东门外要求通过宛平城到长辛店地区演习，遭中国军队拒绝，双方交涉至晚间，日军退回丰台。在日本的寺平副官依然坚持下，日军包围卢沟桥，开始从东西两门外炮击城内，中国国民革命军第二十九军吉星文奉命率团反击，是为“卢沟桥事件”或“七七事变“。至此，中国抗日战争全面开始。

随后，中日军队先后发生了平津作战、淞沪会战、南京保卫战、平绥铁路沿线作战、太原会战、徐州会战、台儿庄会战、兰封会战、武汉会战、广州战役等，但由于蒋介石实行片面抗战和单纯防御之战略方针，致使中国大片土地相继沦陷。

日本为巩固已有据点，维护水陆运输线，扩大占领区，严密封锁中国对外交通，1939年至1941年，一再发动攻势。日军仍以长江一线逐步朝内陆攻击，先后发动了六次战役，意图逼使重庆国民政府投降。六次战役分别是：

两次赣北之役：第一次在1939年3月，日军约50,000人，进犯南昌，中国军队约20万迎击，一周后南昌陷落；第二次在1941年3月，日军约4万，中国军队倍之，激战于南昌以西地区，为时2周，日军颇有损失。

两次鄂北、豫南之役：1939年4月，中国军队在各战区反攻，5月，武汉日军5万分路进攻，为10余万中国军队所遏阻，成相持之势；1940年5月，日军再度进犯，兵力约增加一倍，中国军队第三十三集团军总司令张自忠阵亡，6月日军占领宜昌，截断四川、湖南间水运。

两次湘北之役：1938年11月，日军自湖北侵入岳州，湖南省政府主席张治中下令纵火，长沙全市几化为灰烬，1939年9月日军10万来攻，10天后为中国军队20余万拒退，为第一次长沙大捷；1941年9月，日军第二次来攻，4天后退却，此为第二次长沙之捷。日军将攻势矛头朝湖南省第九战区转移，第九战区成功挡下日军攻势，并在当地与日军持续对峙。

在战争中，日军付出了极为惨重的代价。根据日本战后研究，1937年侵华日军至少有5.1万人作战阵亡或因重伤残废无法再度返回战场，1938年侵华日军则至少有8.9万人作战阵亡或因重伤残废无法再度返回战场，1939年侵华日军则至少有8.2万人作战阵亡或因重伤残废无法再度返回战场，1940年侵华日军则至少有4.2万人作战阵亡或因重伤残废无法再度返回战场，1941年侵华日军则至少有4.1万人作战阵亡或因重伤残废无法再度返回战场。

1941年12月7日，日本偷袭美国珍珠港，太平洋战争爆发。12月8日，美国、英国等同盟国对日本宣战。中国抗战成为第二次世界大战的一部分，重庆国民政府的国际地位开始上升。

1943年11月，中、美、英三国元首在埃及开罗发表新闻公报《开罗宣言》，要求战后日本归还自1895年占领中国的所有领土。1943年11月，日军进攻常德，战斗一直持续至12月20日，日军一度攻占常德，但在中国军队反击下最后撤退。

为了取得东南亚地区的物资，日本于1944年4月发起豫中会战，击溃汤恩伯在河南省的大军，打通了平汉线之河南至武汉段。第十军军长方先觉率部顽强抵抗47天，最终城破。华中日军与华南日军又联手发起桂柳战役，一路占领广西，打通湘桂铁路，最后打到贵州省独山，震动重庆。

1945年2月以后，盟军正逐步逼近日本本土，于是为了消灭美军在中国的飞机场以维持大陆交通线的通畅并早日结束中日战争以集中全力于本土防卫，1945年3月起日军先后发动豫西鄂北会战和湘西会战。在河南，日本军于3月下旬从豫中会战之后的防线以东向西发动攻击，其前锋一直冲到西峡口。在湖北，3月日本军向西北部发动攻击，于4月8日攻陷老河口；不过之后国民政府军随即发动反攻，收复了除老河口之外所有被日军占领的地区。

“湘西会战”从1945年4月9日起，止于6月7日，是中国抗日战争中最后一场会战；日军为争夺芷江空军基地，共投入5个师团10万兵力，中国军队由何应钦亲自指挥9个军26个师18万兵力，战线长达200余公里。战场位置在湖南省中西部，此战又称“芷江攻略战”。日军攻入湖南西部，但是在中国军队抵抗之下，日军遭受挫败而退回原阵地。双方参战总兵力28万人，战线长达200公里。在湖南战场上中国军民一寸山河一寸血之浴血奋战，激起中华民族战胜日军之信心和勇气，日军自此逐步收缩战线。湘西会战之胜利，标志中国抗日正面战场由防御转入反攻阶段。

1945年8月6日，为避免采取大量伤亡的登陆战以及在先苏联一步拿下日本本土，美军在日本广岛市投下第一枚原子弹，8月9日又在长崎市投下第二枚原子弹。

1945年8月15日晨，同盟国由瑞士政府之通知，获悉日本天皇已颁敕令，接受《波茨坦宣言》之各项规定，宣告投降后，遂同时公布日本无条件投降。