卢沟桥事变
在1937年7月7日夜，卢沟桥事变爆发。时值日本近卫文麿内阁。日本中国驻屯军借口一个兵士失踪，要求进入北平西南的宛平县城搜查。中国守军拒绝了这要求。日本军阀遂开枪开炮猛轰北平卢沟桥，向城内的中国守军进攻。亦有说，根据“辛丑条约”驻扎的日本军阀在宛平附近演习时遭到国民革命军的枪击，而向中国守军进攻。打响全面抗战第一枪的是第二十九军吉星文团。
7月16日、17日，中华民国最高统帅蒋中正在庐山先后发表《对于芦沟桥事件之严正表示》谈话，表示：“临到最后关头，便只有拼全民族的生命，以救国家生存。最后关头一到，我们只有牺牲到底，抗战到底”，“地无分南北，年不分老幼，皆有守土抗战之责！”，至此表明了对日本军阀挑衅的退让底线。7月28日、30日，日本军阀相继占领北平、天津，第二十九军退守保定一线。平津一带的大学纷纷迁移。7月31日，蒋中正发表《告全体将士书》：“……和平既然绝望，只有抗战到底”，宣告战争已经全面爆发。
正面战场的展开
中华民国国民政府定下了“以空间换时间，积小胜为大胜”的大方针，为了吸引日本把侵略重点放到日军难以施展的山川河流众多的东南，利用山川河流众多的地形抵消日军装备训练优势，尽量消灭日军有生力量，避免在利于日军装备训练优势发挥的地势平坦的华北平原与日军作战，扩大战场，分散敌军兵力，为中国争取部分战争主动权，蒋中正决定在上海发动战争。中国国民革命军扮作保安队进入上海市区。日军则以保卫租界为名，占领租界外的地区。8月13日，冲突爆发。
日军在1937年8月派出上海派遣军（三个月后增加到50万人），开始向上海进攻；中华民国则共派出中央军精锐和大批内地省份部队（但由于蒋介石与这些部队的司令关系恶劣，所以装备极差。而参加者包括川军、滇军、桂军、粤军、湘军等）合计70万人，与日军血战三个月之久，粉碎其“三月亡华”之战略，此即为淞沪会战。指挥凇沪会战的第三战区司令长官先是冯玉祥，后蒋中正亲自兼任。11月20日，中国国民革命军在伤亡25万人之后，被迫撤退，上海自此沦陷；由于下达撤退命令过于仓促，后方国防工事交接发生失误，加上中国抗战初期的军队训练素质极低，引致撤退演变为溃败。同一天，中华民国政府立即宣布将首都和所有政府机构由南京迁往陪都重庆，而军事作战中心则是先迁往武汉直到武汉会战后再迁往陪都重庆。虽然第二次淞沪会战中国方面在战术上是失败的，但是在战略上却成功的将日军吸引于中国东南，使日军主力陷入山川河流众多的地形，消耗甚大，导致日军无实力占领全部中国。上海国民革命军的持久抵抗，掩护了党政机关、学校和大批工商企业转移内地，为抗战保留了元气。
在上海遭到约4万伤亡的日本军队，在同年12月13日侵占南京，由于守将唐生智不久便弃城逃亡，所以南京城于4天后陷落。日军以持续数月的南京大屠杀作为摧残中国民众士气的手段，由于战争前夕中国国民革命军把所有逃生的方法都堵塞了，结果间接导致约三十万无辜的中国人被日本军队残暴地杀害（远东国际军事法庭统计为26万）。下令进行南京大屠杀的日军上海派遣军（后改称华中派遣军）司令官是松井石根，杀戮最严重的第六师团师团长是谷寿夫。
同年9月，日本为夺取山西丰富的煤炭资源，派出10余万陆军展开进攻。国民政府因应组织展开了太原会战，由于当时中国共产党的总部位于不远的延安。根据9月的国共合作协议，共产党奉命派出国民革命军第十八集团军林彪115师协助第二战区司令长官阎锡山进行防御。
1937年底，南京陷落之后，中华民国国民政府节节抵抗。但是因为山东省主席韩复榘临阵脱逃，致使黄河防线失守，山东大部失陷，交通要点仅剩鲁南的滕县、台儿庄。于是，1938年1月14日，蒋中正将其枪毙。
1938年2月，日军华北方面军企图南下和华中派遣军会合。中国国民革命军在以徐州为中心的地区与日军激战，史称徐州会战。3月，第五战区司令李宗仁令川军王铭章所部防守滕县，因无援兵，滕县失守，王铭章师长自杀殉国。李宗仁队以西北军孙连仲第二十六路军在徐州以北的台儿庄与日军反复争夺，以西北军张自忠部五十九军和庞炳勋军团掩护台儿庄的右翼临沂战场，以中央军汤恩伯军团卷击台儿庄日军侧背，最终取得台儿庄战役的胜利，以毙伤日军一万多人的战果成为中华民国抗战以来最大的胜利，日军精锐第10师团遭到毁灭性打击，精锐第5师团遭到重创。但是南北两线日军源源不断增兵，这次胜利没有扭转徐州战场的局势。
5月19日日军占领徐州，6月6日占领河南省会开封。6月9日，蒋中正命令在花园口炸开黄河南岸大坝，史称黄河花园口决堤。此举虽然暂时阻挡了日军南下，但是也造成了黄河下游的大规模水灾，造成上百万民众直接死亡或间接因饥荒而死，造成不知情的当地民众对国民党的不满。战后蒋中正调拨了大量资金修复黄河大堤，史称“黄河归故”，即恢复故道。参与会战的国民革命军分路撤退，粉碎了日军的合围企图，至此，徐州会战结束。会战后，有一部分国军留在鲁南苏北敌后战场，后蒋中正下令组建苏鲁战区，以东北军于学忠为战区司令。这部分国军坚持到1943年，被日伪军压迫，与中共军队摩擦也告失利，被迫退出鲁南苏北。华北日军除以主力进攻山东津浦线方向外，还以一部向河北平汉线追击，宋哲元率部节节抵抗，最后退至黄河以北的豫北地区。
1938年8月至10月的武汉会战是中日战争中规模最大的会战，参战日军达30多万人，中国军队达110万人，战争中日本损失8万人，因病减员8万人，由此丧失了战略进攻的能力。国民革命军大部脱离战场，安全撤退，一部留在大别山区敌后坚持游击，主要是桂系军队。武汉会战中，中国军队最大的胜利是兵团司令薛岳指挥的万家岭大捷，日军第106师团遭到毁灭性打击，阵亡4000人。10月21日，在大亚湾登陆的日军占领广州，第七战区司令余汉谋部退至粤北地区。10月25日，湖北重镇武汉三镇相继陷落。中国国民政府的作战中心迁往重庆继续抵抗。
日军在占领武汉和南方的广州后，战线拉长，无力作进一步大规模的战略进攻，转入休整。在会战期间，以卢作孚为首的民族企业家运送了大批军队及作战物资到前线，并将武汉地区的大批工业装备和人员转移到四川，在敌机狂轰滥炸下的川江航线为抗战胜利立下了殊勋。此外，苏联航空志愿队参加了保卫武汉的空战。武汉会战迫使日军大本营不得不重新调整对华战略，改为政治诱降为主、军事进攻为辅的战略，以求尽快结束所谓的“中国事变”。政治诱降的主要对手是国民党总裁汪精卫（但到了1940年日本发现汪精卫政府在中国国内影响力甚小，且无法左右抗日力量最强的黄埔系军队，于是将蒋中正选定为诱降对手，但终未成功）。在历时4个多月的武汉会战中，中国军队伤亡40万人，中国军民以巨大的牺牲迎来了战争的战略相持阶段。
中日相持（1938年10月—1941年12月）
日本政策的转变与分而治之的策略
鉴于绵延上千公里的战线与所剩无几的战略资源和后方的不安定因素，日本知道它没有能力管理所有占领了的中国国土，所以在这段时间中日本支持中国人成立傀儡政权。先后于1935年11月25日，殷汝耕在通州成立了“冀东防共自治政府”、两年后,于1937年12月14日，王克敏在北平成立了“中华民国临时政府”、隔年，于1938年3月28日，梁鸿志在南京成立了“中华民国维新政府”并与日本订立条约，发行钞票。后来日本又在占领区设立了亲日的汪精卫的“中华民国国民政府”、德王的“蒙疆联合自治政府”等傀儡政权分化中国的士气与国际影响力，但在蒋中正的坚持下，中华民国国民政府最终都没有向日本投降。
同时日本的作战方针一改再改，由最早的“三月亡华”，转变为1938年11月第二次近卫声明的“东亚新秩序应由中日共同主导”、“共同防共”、“经济提携”等，并声称只要答应和解，就从华中、华南撤军，华北在名义上属于中国。日本仅用少量的资源即能引诱中国农工阶层加入皇协军的队伍，创造出大量的伪军，在经济上也诱惑资本受损的中国资产阶级，向他们开放日军占领区的实业投资。面对这些因素，中国国民政府中开始不断出现“中日和解”的声音。同年底，第三次近卫声明发表，除了更为温和的语气外，将建立“大东亚新秩序”的部分义务分担给中国，透过德国驻华大使陶德曼的调停，藉以从侧面诱导国民政府和谈，并承诺和谈成功后废除在华不平等条约，归还租界。
日本态度的转变引起了包括欧美国家与中国的注意，其中欧美研判三次近卫声明的目标由中国转向苏联，这样的行动将有助于各国的利益，与慕尼黑协定类似，希望将日本的战火燃烧到苏联的土地上，因而欧美各国开始向国民政府派遣游说团进行劝说，希望蒋中正在各方利益没有太大损失的情况下，与日本达成停战协议。
受此影响，主张与日本媾和的国民党副总裁汪精卫到达越南。他在1938年12月29日发表“艳电”响应近卫声明，提出与日本“恢复和平”。作为当时中国的第二号人物，汪精卫在战争最为紧张之时的这番言论，被视作公开的叛国投降，中国抗战的士气受到巨大打击。1939年1月1日，中国国民党召开临时紧急会议，永远开除汪精卫党籍并撤销其一切职务。之后发生“河内刺汪案”，蒋介石派出特务企图暗杀而不果。3月，汪精卫在军统策划的刺杀事件中生还，这使得他彻底投向日本，并于5月在上海与日方开展秘密谈判，年底秘密签订《日华新关系调整要纲》。1940年，汪精卫在日本的保护下来到南京，以“还都”的名义于3月30日成立“中华民国国民政府”。
同时日本发动了扫荡重庆外围的随枣会战和枣宜会战，希望国民政府能尽速投降。在这场危及战时陪都重庆的战役中，国民革命军第33集团军司令张自忠将军殉国。
敌后战场的发展
进入相持阶段之后，日军由于军事进展过于迅速，兵力和后勤补给均不敷使用，只能保证对主要城市和军事据点，以及主要交通线的占领。
1939年9月，纳粹德国军队向波兰不宣而战，引发法国、英国向德国宣战，标志着绥靖政策的破产，第二次世界大战正式爆发。欧美列国放弃了将法西斯国家力量引向苏联的企图，一反早先要求中日和谈的态度，支持中国国民政府进行抗战。但德国军队进展超乎人们预料，连当时的欧洲强国法国在1940年6月22日迅速宣布投降，德国迅速组织力量对英国展开袭击。世界各地的战况均有利于法西斯。这一时期中国也出现了广泛的悲观倾向。在这种情况下，国共两党展开了不同形式的宣传，鼓舞抗战士气。其中三次长沙会战对日军造成重大打击；1941年薛岳指挥的第三次长沙会战歼灭日军5万多人。这一度改变了当时中国国内的抗战士气。一些不受国民政府指挥的民兵组织（如中国共产党、蒙古抗日游击队等）也开始逐步壮大。
敌后战场开始大多为国民革命军的地方部队所占据。另外还有民间与共产党等抗日团体，而敌后地区也成为各抗日武装的势力范围。随着日本对敌后大规模扫荡，国民革命军敌后控制区大大减少，日军没有足够兵力长期守住这些地区，而共产党利用其游击战的技巧，生存下来，利用这种“真空”迅速扩张。
随着汪精卫等投日，几十万敌后的地方军阀部队投日，也有一部分不满意国民政府者投向共产党的部队。共产党成为敌后游击战的重要力量。至1940年7月，共产党已发展至近40余万人，并拥有约1亿人口的抗日根据地和近200万的民兵组织，这些部队除了反对日军之外，也经常出现各种摩擦。百团大战后，日军推行治安强化运动，华北日军兵力达到47万[来源请求]，并集中了傀儡政权中投入战场的全部军队。为应对共产党方面的游击战术，采用了“保甲制”来断绝共产党军队与当地民兵的接触，设立无人区，进行三光政策有时更使用违反国际法的生化武器来作战。共产党面对日军扫荡的压力下，全军大退却，化整为零保留实力，将敌后战场全推给国民政府负责，日军因找不到共军，便把参与扫荡任务的日军为基础，发动一号作战，以消灭中国有生力量。
中国对日宣战（1941年12月－1945年2月）
反法西斯同盟协作与战略反攻
1941年12月7日，日本偷袭美国珍珠港后，日本的战略重心从中国转变为美国。翌日，美国向日本宣战，并呼吁世界各国对日本实施贸易制裁。12月9日，中国正式向日本宣战。不久之后，除了与日本保持中立的苏联以外，英国等同盟国也对日本宣战。从此中国不再独立对日作战，抗日战争正式成为第二次世界大战的一部分。美国加入二战后，通过滇缅公路和“驼峰航线”从缅甸、印度向中国运送了大批作战物资，支持中华民国继续抗战。
世界各国的介入对中国而言带来了巨大的利益，这也是因为英美出于本身利益考虑而希望中国拖住日本陆军主力。因此，中国与英国签订了友好同盟条约，并与英、美等国签订协定废除了部分不平等条约，令重庆国民政府的国际地位上升。
香港时间12月8日早上8时，即珍珠港事件后仅数小时，由酒井隆指挥的日本军队从深圳向香港发起进攻，香港保卫战于此开始。12月25日，港督杨慕琦率驻港英军投降，香港沦陷。同时，日本在国内进一步征兵动员，将战场扩大至荷属婆罗门（今印度尼西亚）、菲律宾等英、荷、美在东南亚的殖民地，夺取当地产量丰富的石油、橡胶等战略资源。并派兵向英国远东军进攻，接连攻克英国统治下的殖民地；并在暹罗湾发动主力决战，将威尔士亲王号战列舰击沉，标志着日本在东南亚地区的扩张已无人能敌。
日本方面不满足于控制东南亚的油气资源，同时注意到滇缅公路对中国战场的意义，转而出兵缅甸，想意图切断滇缅公路，孤立中国。此时英国在远东的军队已无力抵抗日本的进攻，转而向中华民国国民政府求援。于是，罗斯福与蒋中正磋商组建了盟军中缅战区，由蒋中正兼任司令，中国派代理司令长官杜聿明率10万名集合中国精锐力量的中国远征军（主要是第5军和第66军）进入缅甸与日本作战。原本中英两国军队预定在曼德勒筹划与日军会战，但是日军先夺取了英军控制的仁安羌，使得英军开始向印度方向退兵，于是日军迂回至国民革命军背后，令中国远征军右翼暴露，结果联合作战失利，远征军第5军被迫撤退到印度，第66军撤退回国。这次战斗中，黄埔将领戴安澜师长牺牲。最终缅甸被日本占领，滇缅公路中断，10万远征军经血战只有4万余人安全撤离。而杜聿明被召回，美军兼任中缅战区参谋长的史迪威将军和第5军的师长孙立人、廖耀湘则留下继续负责在印度编练军队。
1943年11月，中美英三国元首在埃及开罗开会，通过《开罗宣言》，要求战后日本归还占领中国的所有领土，包括台湾及其附属岛屿。
1944年，日军在太平洋战场的形势恶化，兵力不足与物资紧缺到惊人的程度：橡胶、钢铁被列为国家资源，禁止向民间出售；华北地区的资源生产遭到当地民兵与八路军连续不断的袭扰，绝大多数地区丧失了生产能力。为了取得东南亚地区的物资，必需打通中国沿岸的航线，于是日本发起了豫湘桂会战。日本华北方面军轻易击溃汤恩伯在河南省的大军，第36集团军总司令李家钰阵亡，结果日军打通了平汉线之河南至武汉段。之后，华中日军乘胜追击，在第四次长沙会战中击败薛岳，一路追击至湖南南部重镇衡阳。黄埔将领方先觉率部顽强抵抗47天，最终城破，方先觉自杀未遂，后被俘。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，最后打到贵州独山，震动重庆；另一路则从衡阳南下与广州北上的日军打通了粤汉铁路。全国舆论哗然，各界痛斥。此役日军事先精心准备，兵力也经过大大补充；国民革命军一方面因为长期的相持局面而放松了警惕，另一方面精锐部队被史迪威调往西南战场，导致豫湘桂会战的大溃败。日军最终控制了华南交通动脉粤汉铁路，将“大陆交通线”完全打通。
豫湘桂溃败的同时，中国远征军和中国驻印军发动了滇西缅北大反攻。1944年5月，由卫立煌将军指挥的中华民国远征军强渡怒江，发起滇西反攻，先后攻克日军坚固防守的松山、腾冲、龙陵，收复西南失地。
日本战败（1945年2月—1945年9月9日）
1945年2月，英、美、苏签订《雅尔塔协定》，规定在欧洲战争结束后三个月内，苏联应对日宣战。中国没有被邀请参加。由于美英是以牺牲中国的主权（如承认外蒙古独立），来换取苏联对日出兵的条件，也被称为“远东慕尼黑”阴谋。
1945年2月以后，虽然日本军阀在豫湘桂会战后已基本上打通了大陆交通线，但是由于经常受到来自于内地的美国空军的攻击，再加上太平洋战场已日益吃紧，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，日本军阀于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月日本军阀向西北部发动攻击，于4月8日攻陷老河口；不过之后国民革命军随即发动反攻，收复了除老河口之外所有被日军占领的地区。在湖南，日军以空军基地芷江为目标，于4月向湖南西部发动攻击，但是在国民革命军抵抗之下，日军遭受大挫败而退回原阵地。之后国民革命军乘胜追击，向广西地区发动反攻，于5月27日收复南宁，6月29日收复柳州，7月27日收复桂林，8月收复广西全境。此外，国民革命军原本预定于8月收复广州以打通中国对外运输要道，因为日本投降而未实行。
1945年7月26日，美、英、中三国共同发表波茨坦公告，敦促日本无条件投降，否则将予以日本“最后之打击”。由于此时美国的原子弹已试验成功，美国新总统杜鲁门对于苏联的参战并不抱太大兴趣，所以未邀请苏联协商或署名，造成苏联颇为不满。
1945年8月6日，为了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，美军在日本广岛投下第一枚原子弹，3天后又在长崎投下第二枚原子弹。苏联红军也根据《雅尔达密约》，随即在8月8日对日宣战，发动八月风暴行动，并立刻于于8月9日出兵中国东北。此时的日本关东军兵力仅有70万人部署在中国东北和朝鲜半岛，苏联红军投入到远东战场则多达150万人，双方的装备也相差悬殊，于是苏联红军在中国东北横扫日本关东军。
同时，由于美国的核武打击与苏联军队的参与，中国内部开始有人感觉到抗日战争终结之日即将到来。共产党由毛泽东发表《对日寇最后一战》，将原本分散的抗日根据地一一连通。国民党方面也在美军空运、海运帮助下，迅速占领各大城市，接受日本投降。共产党军队则接收经营许久的中小城市、乡村地区，但是在苏军协助下也收复了一个省会城市张家口。而且八路军、新四军因为长期敌后抗战的缘故，控制了大量铁路干线，增加了远在西南方面对敌正方的国民革命军接收日占领区的难度。
1945年8月15日正午，日本裕仁天皇通过广播发表《终战诏书》，宣布无条件投降。 8月16日，苏军总参谋部发表声明指出：“日本天皇8月15日所发表的投降声明，仅仅是无条件投降的一般宣言，并未向武装部队发布停止敌对行动的命令，而且日本军阀仍在继续抵抗，因此，日本尚未实际投降……远东苏军将继续对日攻势作战。”此段时间，由于日军的敢死队出动，导致苏联伤亡颇为惨重。战事直到8月23日苏军占领旅顺港口才真正结束。
9月2日，日本外相重光葵在美国军舰密苏里号上正式签署投降书。9月9日，侵华日军总司令冈村宁次在南京向中华民国政府陆军总司令何应钦呈交投降书。抗日战争及第二次世界大战至此正式结束了。
