30 сентября 1941 года немецкие войска начинают наступление на Москву. В результате глубоких прорывов немецких танковых соединений основные силы советских Западного, Резервного и Брянского фронта оказались в окружении в районе Вязьмы и Брянска. Остатки Западного и Резервного фронтов 10 октября объединяются в единый Западный фронт под командованием генерала армии Г. К. Жукова. 15-18 ноября немецкие войска возобновляют наступление на Москву, однако к концу ноября остановлены на всех направлениях. 5 декабря 1941 года Калининский, Западный и Юго-Западный фронты переходят в контрнаступление. Успешное продвижение советских войск заставляет противника перейти к обороне по всей линии фронта. В декабре в результате наступления войска Западного фронта освобождают Яхрому, Клин, Волоколамск, Калугу; Калининский фронт освобождает Калинин; Юго-Западный фронт — Ефремов и Елец. В итоге к началу 1942 года немцы отброшены на 100—250 км на запад. Поражение под Москвой стало первым крупным поражением вермахта в этой войне.
Успех советских войск под Москвой побуждает советское командование перейти в широкомасштабное наступление. В январе 1942 года силы Калининского, Западного и Северо-Западного фронта переходят в наступление против немецкой группы армий "Центр". Им не удаётся выполнить поставленной задачи, и после нескольких попыток, к середине апреля, приходится прекратить наступление, понеся большие потери. Немцы сохраняют Ржевско-Вяземский плацдарм, представляющий опасность для Москвы. Попытки Волховского и Ленинградского фронтов деблокировать Ленинград также не увенчались успехом и привели к окружению в марте 1942 года части сил Волховского фронта.
7 декабря 1941 года Япония наносит удар по американской военно-морской базе Пёрл-Харбор. В ходе нападения, в котором участвовал 441 самолёт, базировавшийся на шести японских авианосцах, потоплено и серьёзно повреждено 8 линкоров, 6 крейсеров и более 300 самолётов США. Таким образом, за один день уничтожена большая часть линкоров Тихоокеанского флота США. Помимо США, на следующий день войну Японии объявляют также Великобритания, Нидерланды(правительство в эмиграции),Канада, Австралия, Новая Зеландия, Южно-Африканский Союз, Куба, Коста-Рика, Доминиканская республика, Сальвадор, Гондурас и Венесуэла, Германия и Италия, а 13 декабря — Румыния, Венгрия и Болгария — объявляют войну США. Японские солдаты ведут бои на улицах Куала-Лумпура. 8 декабря японцы блокируют английскую военную базу в Гонконге и начинают вторжение в Таиланд, британскую Малайю и американские Филиппины. Вышедшая на перехват британская эскадра подвергается ударам с воздуха. Таиланд после непродолжительного сопротивления соглашается на заключение военного союза с Японией и объявляет войну США и Великобритании. Японская авиация с территории Таиланда начинает бомбардировки Бирмы. В декабре японцы захватывают американскую базу на острове Гуам, на Уэйк, Гонконг, прорывают британскую оборону в Малайе и, стремительно наступая, оттесняют британские войска в Сингапур. Сингапур, который до этого британцы считали "неприступной крепостью", пал в феврале 1942 года, после 6-дневной осады. На Филиппинахяпонцы захватывают острова Минданао и Лусон. Остаткам американских войск удаётся закрепиться на полуострове Батаан и острове Коррехидор. В начале 1942 японские войска вторгаются в Голландскую Ост-Индию и вскоре захватывают острова Борнео и Целебс. Японский флот наносит поражение англо-голландской эскадре в Яванском море. Союзники пытаются создать мощную оборону на острове Ява, но капитулируют. Японцы захватывают архипелаг Бисмарка, в том числе остров Новая Британия, а затем овладевают западной частью Соломоновых островов, островами Гилберта, и в начале марта вторгаются в Новую Гвинею.
В марте, апреле, мае - Рангун, Мандалай, и овладевают почти всей Бирмой, нанеся поражения британским и китайским войскам и отрезав южный Китай от Индии. Однако начало сезона дождей и недостаток сил не позволяют японцам развить свой успех и осуществить вторжение в Индию.
6 мая капитулирует последняя группировка американских и филиппинских войск на Филиппинах. К концу мая 1942 года Японии ценой незначительных потерь удаётся установить контроль над Юго-Восточной Азией и Северо-Западной Океанией. Американские, британские, голландские и австралийские войска терпят сокрушительное поражение, потеряв все свои основные силы в этом регионе.
С лета 1941 года основной целью действий немецкого и итальянского флотов в Атлантике является уничтожение торговых судов, для того чтобы затруднить доставку в Великобританию вооружения, стратегического сырья и продовольствия. Немецкое и итальянское командование использует в Атлантике в основном подводные лодки, которые действуют на коммуникациях, связывающих Великобританию с Северной Америкой, африканскими колониями, Южно-Африканским Союзом, Австралией, Индией и СССР. С конца августа 1941 года в соответствии с договорённостью правительств Великобритании и СССР начинаются взаимные военные поставки через советские северные порты, после чего значительная часть немецких подводных лодок начинает действовать в Северной Атлантике. Осенью 1941 года, ещё до вступления в войну США, отмечаются нападения немецких подводных лодок на американские корабли. В ответ конгресс США 13 ноября 1941 года принимает две поправки к закону о нейтралитете, согласно которым снимается запрет на вход американских кораблей в зоны военных действий и разрешается вооружать торговые суда.
С укреплением противолодочной обороны на коммуникациях в июле - ноябре существенно сокращаются потери торгового флота Великобритании, её союзников и нейтральных стран. Во второй половине 1941 они составляют 172,1 тыс. брутто-тонн, что в 2,8 раза меньше по сравнению с первой половиной года. Однако вскоре германский флот, на короткое время, перехватывает инициативу. После вступления в войну США значительная часть немецких подводных лодок начинает действовать в прибрежных водах Атлантического побережья Америки. В первой половине 1942 года потери англо-американских судов в Атлантике вновь возрастают. Но усовершенствование методов противолодочной обороны позволяет англо-американскому командованию с лета 1942 года улучшить обстановку на атлантических морских коммуникациях, нанести ряд ответных ударов германскому подводному флоту и оттеснить его в центральные районы Атлантики. Немецкие подводные лодки действуют практически по всей акватории Атлантического океана: возле берегов Африки, Южной Америки, в Карибском бассейне. В августе 1942 года, после того как немцы потопили ряд бразильских судов, Бразилия объявляет войну Германии, вследствие чего, опасаясь нежелательной реакции со стороны других стран Южной Америки, немецкие подводные лодки снижают свою активность в этом регионе. В целом, несмотря на ряд успехов, Германия так и не смогла сорвать англо-американские морские перевозки. К тому же, с марта 1942 года английская авиация начинает стратегические бомбардировки важных экономических центров и городов Германии, союзных и оккупированных стран. Летом 1941 года вся германская авиация, действовавшая в Средиземноморье, перебрасывается на советско-германский фронт.
Это облегчает задачи англичан, которые, пользуясь пассивностью итальянского флота, захватывают инициативу в Средиземном море. К середине 1942 года англичане, несмотря на ряд неудач, полностью нарушают морское сообщение между Италией и итальянскими войсками в Ливии и Египте. К лету 1941 года значительно улучшается положение английских сил в Северной Африке. Этому в значительной мере способствует полное поражение итальянцев в Эфиопии. Британское командование теперь получает возможность перебросить силы из Восточной Африки в Северную.
Используя выгодную обстановку, английские войска 18 ноября 1941 года переходят в наступление. 24 ноября немцы пытаются нанести контрудар, однако он заканчивается провалом. Англичане деблокируют Тобрук и, развивая наступление, занимают Эль-Газаль, Дерну и Бенгази. К январю англичане вновь овладевают Киренаикой, однако их войска оказываются рассредоточенными на огромном пространстве, чем и воспользовался Роммель. В конце января итало-немецкие войска переходят в наступление, прорывают английскую оборону и устремляются на северо-восток, но у Эль-Газаля они остановлены, и фронт вновь стабилизируется на 4 месяца.
В мае 1942 года Германия и Италия возобновляют наступление в Ливии. Англичане несут большие потери и вновь вынуждены отступать. 21 июня капитулирует английский гарнизон в Тобруке. Итало-немецкие войска продолжают успешно наступать и 1 июля подходят к английскому оборонительному рубежу у Эль-Аламейна в 60 км от Александрии, но из-за больших потерь вынуждены остановиться. В августе сменяется британское командование в Северной-Африке и итало-немецкие войска вновь пытаются прорвать английскую оборону возле Эль-Халфы, однако терпят полную неудачу, что становится поворотным пунктом всей кампании.