1937年，日本全面侵华。

1937年7月7日，日本发起七七事变。七月底，日军便攻下：过去曾经几次作为首都、具有重要政治意义的北平。然而，日本此时也已经把整个中国纳入其军事行动的最终目标。在中国与德国随时都有可能结束彼此间的合作关系时，中国选择与苏联迅速签署《中苏互不侵犯条约》。之后，苏联也开始提供军需物资以支援中国对日作战。而已经转往支持日本的德国，则在年底停止与中国的贸易合作关系。日本攻占北平后，见中国并没有屈服，决定于1937年8月中旬进攻上海。国民革命军总司令蒋中正决定：部署自己辖下素质最佳的部队防卫上海。历经3个月战斗，上海于11月遭到日军占领。日军之后不断逼使中国军队往西方后退。1937年12月13日，日军成功占领首都南京，并屠杀大量中国平民和缴械军人。

1938年6月，中国军队为了阻止日军继续由河南向前推进至湖北，而故意造成黄河泛滥。同时，中国将拖延下来的时间，用于继续加强武汉市的防御工事。但是到了10月，日军仍成功占领武汉当地。然而日本军事上的胜利，并没有如日军希望般瓦解中国政权的抵抗，相反地，中国政府在迁往位于内陆的重庆市后，仍继续坚持作战，并定都当地。

1938年至1939年，日苏冲突。

1938年7月29日，日本于张鼓峰事件中，首次入侵苏联领土。苏联部队也随即与日军展开交战。虽然这次战斗是以苏联胜利作为结束，然而，日本也因为这次军事冲突而有了外交谈判的机会。稍后在1939年5月11日，日本决定将武力部队移动到蒙古边境的哈拉哈河附近。尽管日本最初成功击败蒙古红军的防卫，但是在苏联的支援下，最后日本关东军仍然战败。

在几次与苏联的军事冲突后，日本政府深信他们应该尽可能与苏联政府，透过外交手段调解，以避免苏联稍后对日方于中国的战场，有所干预。两年后，世界局势剧变，苏联深深地感到了来自德国的压力，双方便签订了《日苏中立条约》。同时，日本也决定：将之后的军事目标转往由美国和欧洲掌握的南太平洋地区。另一方面，这次作战，也促使数名经验丰富的苏联军事领导人得到提拔，例如，朱可夫在之后的莫斯科战役中，便成了关键性的角色。