情势危急，国民党联共抗日，“委员长”更职“大元帅”，正式成为党总裁
1937 年 1 月，从西安事变归来的蒋介石终于取消西北“剿匪”总司令部，虽然仍禁止宣传共产主义，但同时也以释放政治犯与进行谈判的方式表现善意；中共也于 1937 年 4 月发表告全党同志书，说明当前的任务是巩固国内和平、实现对日抗战。不过在台面下，双方的紧张关系仍在。
左图：1937年7月7日晚，日军在卢沟桥附近演习，借口一士兵失踪，要求进入宛平县搜查，遭拒后，日军攻城，“七七事变”发生。
抗日统一战线已然成为全民共识，国共合作自然成为不可避免的一项重要工程。1937 年 5 月，蒋介石与汪精卫举行庐山会议，并邀周恩来与会。会上，蒋介石力主设置国民革命同盟会，作为国共合作的基础，甚至提出毛泽东与朱德出洋的要求。不过最后因为七七事变发生，许多细节并未谈妥与落实。
1937 年 7 月 7 日，日军在入侵丰台车站后，又攻袭卢沟桥，对华北展开包围战，中国守军出兵抵抗，展开了 8 年抗战。蒋介石于 7 月 9 号在庐山接获电报，命宋哲元就地抵抗，毛泽东与朱德则致电蒋介石建立统一战线抗日救国。
7 月 29 日，日军急攻北京、天津，周边区域迅速沦陷，蒋介石眼看抗战情势已无法避免，因此在庐山召开谈话会，并于 8 月发布国共合作宣言，宣布全面抗战、共赴国难，并将红军改编为中国革命军第八路军，国民政府同时决定设置国防最高会议，推举蒋介石为海陆空军总司令，并改蒋介石委员长职务为大元帅，国民党也在后续的党务改革案中，将蒋介石的职衔正名为“总裁”。
1937 年 8 月 13 日，日军与国民政府军队决战于上海，在装备劣势下国民政府军秩序大乱，阵线节节败退，正规军死伤近半，南京紧接失守。日军进城后，随即发动造成中国平民死伤数十万人的南京大屠杀。
蒋介石当时已将重心移往武汉，有赖桂系的李宗仁在台儿庄围剿日军获胜，暂时堵住日军沿江而上攻势。不过蒋介石的军队为了力阻日军自郑州西进，掘开郑州北方花园口黄河大堤，希望拉扯日军锐势；同时在武昌撤退战中，由于担忧日军进逼，竟使出焦土策略，火烧长沙城，都让蒋面临各种抨击。1938 年 12 月底，对日陷入苦战中，担任国民党副总裁的汪精卫自昆明飞往河内，以形同叛国的方式出走，并发出“艳电”要求中日媾和，引发举国震惊，蒋介石除给予口诛笔伐外，并开除汪精卫一切党职、公职。
几乎被逼到绝境的蒋介石与国民政府，为了提振国民士气，宣示坚持抗日到底，并继续采取诱敌深入的方式应变，在重点区城部署军力以保卫四川。日军则不希望把战线拉得太长，加上动员兵力有限，只能采取密集重点轰炸、逐步蚕食的方式对付国民政府，并加强沦陷区的政治作战与统领工作。
“珍珠港事变”迫美加入抗日队列，宋美龄“夫人外交”风头甚健，蒋介石由亲日改为亲美
1941 年珍珠港事变发生，让中国独立抗日的窘境为之一变，世界大战的格局让美国成为中国最重要盟友。与美方关系密切的孔宋家族，由于掌控国民政府的财政命脉，以及对美沟通联络管道，重要性也达到历史的顶点。
右图：蒋介石听取中美联合作战演示文稿后步出会场
在国民政府方面，蒋介石执掌大权的情势不变，除孔祥熙持续掌管国府财政大权外，宋子文于 1940 年飞往美国后，也展开一拨拨的游说工作，并成立中国防务补给公司，推动许多美援经费与物资通过特定管道进入中国。此外，在宋子文与宋美龄奔走下，美方提供了飞机等新式装备，并成立“飞虎队”协助中国抗日。蒋介石此后不断用美方“军火租借法案”的优惠，在很长的一段时间中，获得一笔笔军援借此建立了空中优势。
但是美方在提供各项巨额贷款与援助之际，也派出新的参谋指挥官安置在蒋介石身旁，企图主导决策。其间，蒋介石与美籍将领不断产生严重摩擦。美军首任中国战区参谋长史迪威就不止一次与蒋介石当面起冲突，二人关于动用战备物资的歧见与主导权之争，甚至史迪威一度打算起用八路军收复缅北，都让蒋介石无法忍受，多次表示希望罗斯福撤换史迪威。
1943 年 2 月宋美龄赴美的访问，也展开了她人生中最辉煌的一段旅程，由罗斯福政府与多位美方友人安排，宋美龄以英语在美国参众两院进行两场演说，使她成为美国历史中，继英国女王之后，第二位在国会殿堂演讲的女性，不断成为各报头条人物，表达出中国亟须美国支持打赢对日战争的愿望。
在罗斯福政府的推波助澜下，1943 年 11 月 18 日，就任国民政府主席一个多月的蒋介石偕同宋美龄飞往埃及首都开罗出席各国元首高峰会议----“开罗会议”，讨论全球战略及战后对日本处置，会中不但奠立了中国国际四强角色，更依据宣言收回中国对台湾、东北的主权。事实上，在开罗会议参与者名单上，除了美国总统罗斯福和英国首相丘吉尔外，中国却同时有蒋介石和宋美龄两名代表。
