日本帝國主義為了實現其征服中國的計畫，於1937年7月7日在北平西南的盧溝橋武裝挑釁，並由此發動大規模的侵華戰爭。日本的侵略激起中國人民的無比憤慨，促使愛國的各種政治勢力團結禦侮，共赴國難。駐守平津的國民革命軍第二十九軍官兵奮起抗戰。中國共產黨發出通電，號召「全中國人民、政府和軍隊團結起來」，抵抗日本的侵略。國民政府軍事委員會委員長蔣介石一面密令軍隊北上增援，一面在廬山發表談話，表示事變的任何解決，都不得侵害中國主權與領土完整，否則只有抗戰到底。國民政府的抗日決策，得到全國人民的擁護和支持。政府雖表明應戰決心，但仍幻想英、美列強出面干涉。二十九軍因孤軍奮戰失利，平津終被日軍佔領。日本侵略者又於8月13日侵犯上海。蔣介石下達全國總動員令。淞滬地區的七十餘萬中國軍隊奮勇抵抗達三個月之久。日軍以死傷五萬人的代價於11月初攻佔上海。中國軍民損失慘重，但使日本三個月內滅亡中國的夢想破滅。
由於日本侵華戰爭的迅速擴大，造成中華民族的嚴重危機。國民政府召開國防最高會議，決定以軍事委員會為抗戰最高統帥部，蔣介石出任陸海空軍大元帥。另設國防參議會，以各黨派的領導人和社會名流為參議員。軍事委員會將全國劃分為五個戰區，頒布戰爭指導及作戰指導計畫。蔣介石、閻錫山、馮玉祥、何應欽、李宗仁分別擔任各戰區司令長官。經過國共兩黨談判，國民黨在政治方面作出若干改革的許諾，承認了中國共產黨的合法地位，並釋放了政治犯。抗戰開始不久，中國共產黨即公布了《抗日救國十大綱領》，闡明動員全國人民實行全面抗戰的主張，並派周恩來、朱德、葉劍英等人參加國防最高會議和國防參議會。為了表示共御外侮的決心和誠意，共產黨宣布取消中華蘇維埃政府名稱和停止土地革命，成立陝甘寧邊區政府，紅軍改編為國民革命軍第八路軍（總指揮朱德、副總指揮彭德懷，下轄三個師，共四萬餘人）和陸軍新編第四軍（軍長葉挺），相繼奔赴抗日前線。第二次國共合作的形成，對抗日戰爭的勝利起了決定性的作用，為中國革命開闢了新紀元。
平津陷落後，日本增兵華北，總兵力約三十萬，分別沿平綏、平漢、津浦三條鐵路線擴大侵華戰爭。沿平綏線進犯的日軍佔領張家口、大同。第二戰區司令長官閻錫山奉命在山西組織抵抗日軍，衛立煌統率的國民黨中央軍及晉軍在忻口一帶阻擊日軍，激戰二十餘日。八路軍也參加忻口會戰，一一五師在平型關首戰告捷，打破了日軍不可戰勝的神話。與此同時，沿平漢線南犯之敵佔領石家莊之後，分兵西犯。國民黨中央軍及晉軍紛紛南撤，11月9日日軍佔領太原。由石家莊南犯的日軍11月5日陷安陽，劉峙統率的國民黨中央軍不戰而潰。防守津浦路方面的第三集團軍總司令韓復榘，棄黃河天險不守，逃到魯西南。日軍12月27日攻陷濟南。從此華北戰場以國民黨軍隊為主體的防禦戰爭基本結束。
日本的工業水平和軍事裝備都遠居中國之上。在強敵進攻面前，南京國民政府為了堅持長期抗戰，於1937年11月決定遷都重慶。由於蔣介石及政府中樞主要人員遷往武漢，所以1938年10月以前，武漢是中國抗戰、內政及外交活動的中心。中國的工業主要集中在以上海為中心的沿海大城市。戰爭爆發後沿海工業遭到浩劫。為了發展戰時生產，支援抗戰，資源委員會所屬工礦及私營工廠約六百餘家在政府的協助下遷往內地，為戰時西南和西北大後方工業的發展奠定了基礎。同時還有一大批工程技術人員、工人、大中學校師生也陸續內遷。國民黨軍隊從上海撤退後，蔣介石部署了南京保衛戰。唐生智奉命統率十餘萬軍隊保衛南京。南線日軍攻佔上海後分三路進犯南京。12月13日南京陷落。日軍佔領南京後，進行慘絕人寰的大屠殺，有三十多萬中國人被殺害。此後，日軍一部沿津浦路北上，企圖與從華北進入魯南的日軍合圍徐州，但被中國軍隊阻止在淮河一線。同時在李宗仁指揮下，集結在魯南地區的十二萬中國軍隊與三萬日軍展開會戰，取得台兒庄大捷，消滅日軍萬餘人。
日本一面發動大規模的軍事進攻，一面通過德國駐華大使陶德曼向中國政府提出「和平談判條件」，期望中國政府在其武力打擊下屈服，但中國政府拒絕接受日本的苛刻條件，日本近衛內閣遂聲明「不以國民政府為（談判）對手」。中國愛國政治力量以團結抗日回答了日本的恫嚇。1938年春，國民黨在武昌召開臨時全國代表大會，通過了《抗戰建國綱領》及宣言，表示抗戰不達目的，決不中止。對軍事、政治、經濟及文化工作都加以改善。在軍事委員會內設立政治部，以陳誠為部長，邀請周恩來擔任副部長，郭沫若擔任主管宣傳的第三廳廳長。文化藝術界成立了各種抗日救亡團體，在宣傳抗日及振奮民族精神方面發揮了重要作用。同時組成有國民黨、共產黨、國社黨、青年黨、救國會等各黨派和民主人士參加的國民參政會，取代了國防參議會。中國共產黨支持國民黨當局的抗戰活動，毛澤東在延安作《論持久戰》的講演，駁斥了「亡國論」及「速勝論」等錯誤思想，闡明了抗日戰爭的總方針。但國民黨當局仍拒絕接受中國共產黨提出的全面抗戰的主張，繼續實行其片面抗戰方針。國民黨決定強化其組織，實行總裁制，以蔣介石、汪精衛為正副總裁，繼續堅持一黨專制和獨裁政策，又成立三民主義青年團，作為國民黨控制和訓練青年的組織。
日軍在台兒庄受挫後，便增派援軍，重新部署兵力，從南北夾擊徐州，企圖消滅中國軍隊主力。在徐州一帶的六十萬中國軍隊奉命避免決戰，向豫南和鄂北轉移。日軍佔領徐州後，在合肥、蕪湖、南京等地集結，沿大別山山麓和長江兩岸西犯，目標是攻佔武漢。為了保衛武漢，中國調集約一百萬軍隊，組成四個作戰兵團進行防禦堵截，大小戰鬥數百次，歷時四個月，但終未能阻止日軍的進攻，國民政府最高統帥部於10月24日下令放棄武漢。與此同時，日軍在廣東沿海登陸，國民黨軍隊撤離廣州，退至粵北山區固守。武漢撤退後，國民黨軍政機關遷到長沙。11月底，蔣介石主持在湖南南嶽召開的軍事會議，制定了抗日戰爭相持階段的戰略方針，提出以整訓部隊、強化戰力為中心。會議接受了中國共產黨強調的游擊戰略，抽調部隊進入敵後。還重新部署軍事力量和調整戰區，簡化了指揮層次，軍委會下轄十個戰區。
由於國民黨最高當局實行片面抗戰的方針和戰略戰役上指揮失誤等因素，抗戰僅一年余，國民政府退到西南一隅，大片國土遭到日軍蹂躪。但中國軍隊的抵抗和戰略退卻，消耗了日軍的力量，使日本速戰速決的計畫徹底破產，並為持久抗戰贏得了寶貴的時間。從1938年底起，日本暫時停止了對正面戰場大規模的戰略進攻，推行以政治誘降為主的方針，並竭力尋找其代理人，以實現「以華治華、以戰養戰」的企圖。以國民黨副總裁汪精衛為首的親日派屈從日本的壓力，散布「再戰必亡」的謬論，主張與日本帝國主義「妥協」。經日本特務機關秘密策動，汪精衛一夥於1938年12月從重慶逃往上海敵占區，先組成偽國民黨中央，接著於1940年3月在南京組成傀儡政權——「中華民國國民政府」。前此，日本製造的北平「華北臨時政府」和南京「維新政府」均併入汪偽政權。日本侵略軍在淪陷區進行殘暴的殖民統治，推行治安強化運動，建立「大東亞新秩序」，實行燒光、搶光、殺光的三光政策。汪偽政權和「滿洲國」一樣，都是侵華日軍的工具，隨著1945年日軍戰敗而垮台。
與正面戰場國民黨軍隊敗退的同時，堅持全面抗戰的中國共產黨，領導八路軍和新四軍放手發動群眾，開展獨立自主的游擊戰，迅速地開闢了敵後戰場，建立了大小十餘塊抗日民主根據地，其中著名的有聶榮臻統率八路軍一一五師創建的晉察冀邊區，賀龍、關嚮應領導的八路軍一二○師建立的晉綏邊區，劉伯承、鄧小平、徐向前統率的一二九師建立的晉冀魯豫邊區，及葉挺、項英、陳毅等率領的新四軍開創的江南、江北根據地。此外，還有東北抗日聯軍和廣東華南抗日游擊隊建立的根據地或游擊區。從1938年7月至1941年5月，八路軍和新四軍對敵作戰三萬餘次，斃傷日軍十二萬人，偽軍八萬餘人。其中1940年，八路軍發動百團大戰，持續作戰三個半月，斃傷敵偽軍二萬五千餘人。至1940年，抗日根據地人口發展到一億，軍隊近五十萬。因此，敵後戰場逐漸成為抗日戰爭的主要戰場，吸引了侵華日軍的主力和幾乎全部的偽軍。陝甘寧邊區首府延安（中共中央所在地）成了全國抗日的中心。共產黨在抗戰中發展壯大，由抗戰初期的約四萬黨員，增加到八十萬，成為完全成熟的全國性的大黨。1941年和1942年，由於日偽軍的反覆「掃蕩」和華北地區嚴重的自然災害，根據地範圍縮小，人口和軍隊都有所減少。在極端困難的時期，中國共產黨發動整風運動和大生產運動，普遍展開反掃蕩鬥爭。至1943年