W latach 1939–1941 Związek Radziecki prowadził intensywną współpracę gospodarczą z Niemcami na podstawie paktu Ribbentrop-Mołotow, a stosunki pomiędzy obydwoma krajami pozostawały przyjazne. W rzeczywistości jednak Adolf Hitler przygotowywał w tym czasie plan inwazji na Związek Radziecki pod kryptonimem „Barbarossa”.
22 czerwca 1941 roku III Rzesza wypowiedziała wojnę[7] i dokonała zbrojnej agresji na Związek Radziecki, co otworzyło po raz pierwszy od października 1939 front wschodni II wojny światowej. Historiografia sowiecka, a następnie rosyjska określa wojnę niemiecko-sowiecką jako wielką wojnę ojczyźnianą[8]. W działaniach wojennych sojusznikami Rzeszy były Rumunia, Finlandia, Węgry, Włochy oraz oddziały ochotników z Belgii, Holandii, Francji i Hiszpanii. W pierwszych miesiącach wojny Armia Czerwona ponosiła olbrzymie straty w ludziach i sprzęcie, a wojska niemieckie zajęły rozległe obszary dzisiejszej Ukrainy, Białorusi i republik nadbałtyckich, docierając aż pod Leningrad i Moskwę. Grudniowa kontrofensywa sowiecka pod Moskwą odrzuciła jednak Niemców spod bram miasta. Zakrojone na dużą skalę działania zaczepne Sowieci kontynuowali na początku 1942 roku, jednak zakończyły się one niepowodzeniem. Umożliwiło to odzyskanie inicjatywy strategicznej przez wojska niemieckie. Wiosną 1942 roku Niemcy, uderzając na południu Rosji w kierunku Wołgi i roponośnych terenów Kaukazu, doszli do Stalingradu. Bitwa stalingradzka skończyła się jednak klęską niemieckiej 6 Armiifeldmarszałka Friedricha Paulusa. Nie tylko nie zdołała ona opanować miasta (bronionego przez 62 Armię Wasilija Czujkowa), ale sama została otoczona i zmuszona do poddania się 2 lutego 1943 roku. Idąc za ciosem, Sowieci wyparli Niemców aż na wschodnią Ukrainę. Ich dalsze postępy powstrzymała dopiero marcowa porażka pod Charkowem, która spowodowała tymczasową stabilizację frontu.
Pragnąc po raz kolejny odzyskać inicjatywę na froncie, w lipcu 1943 roku Niemcy przeszli do zmasowanego kontrataku w okolicach Kurska, rzucając do walki większość swych sił pancernych. Tak zwana bitwa na łuku kurskim, pomimo początkowych sukcesów niemieckich, skończyła się przegraną atakujących i ostatecznym przejęciem przez Armię Czerwoną inicjatywy strategicznej, której nie oddała ona już do końca wojny. 6 stycznia 1944 roku Sowieci przekroczyli dawną granicę Polski. 22 czerwca, w trzecią rocznicę inwazji Niemiec na Związek Radziecki, rozpoczęli ofensywę strategiczną na Białorusi, zakończoną rozbiciem niemieckiej Grupy Armii „Środek”. Dzięki temu w lipcu sforsowali Bug i wyszli na linię Wisły. 1 sierpnia wybuchło powstanie warszawskie, zainicjowane przez Armię Krajową w celu opanowania stolicy Polski przed nadejściem Armii Czerwonej. Po 63 dniach walki upadło, nie doczekawszy się pomocy ze strony radzieckiej.
We wrześniu wyczerpana wojną Finlandia poprosiła Związek Radziecki o podpisanie rozejmu i wkrótce potem podjęła działania zbrojne przeciwko swym niedawnym sojusznikom, Niemcom. W październiku Sowieci po raz pierwszy od wybuchu wojny przekroczyli przedwojenną granicę III Rzeszy (w Prusach Wschodnich). W styczniu 1945 roku ruszyła ich kolejna wielka ofensywa, która odrzuciła Niemców od Wisły aż do Wału Pomorskiego, Odry i Nysy Łużyckiej.
Na południu fronty radzieckie po zajęciu Rumunii (jej rząd oraz rząd bułgarski przeszły na stronę aliantów) wkroczyły na terytorium Węgier i Jugosławii. W październiku 1944 roku został wyzwolony Belgrad, a w lutym 1945 roku po długotrwałych walkach padł Budapeszt. W marcu Niemcy podjęli nieudaną ofensywę strategiczną nad Balatonem – swoją ostatnią w tej wojnie. Miesiąc później Sowieci wkroczyli do Wiednia. Propaganda niemiecka zapowiadała użycie nowych rodzajów broni, tzw. Wunderwaffe, lecz losów wojny nie było już w stanie nic zmienić.