Staline a d'abord laissé se produire l’avènement de Hitler en Allemagne (1933) en maintenant la ligne "classe contre classe", qui interdisait aux communistes allemands toute action antinazie commune avec les sociaux démocrates considérés aussi tard que jusqu'en juin 1934 par le Komintern comme la menace prioritaire. Pendant les premiers mois du régime nazi, l'URSS cherche même à maintenir avec lui la coopération militaire et commerciale développée sous la République du Weimar .
Lorsque le pouvoir hitlérien se consolide et se révèle bien plus durable qu'attendu, Staline s’inquiète pour la sécurité de l’URSS. Il s'emploie à désarmer l'hostilité du Führer par divers contacts secrets à Berlin ou en faisant modérer discrètement les attaques de la presse soviétique à son encontre. Parallèlement, l'URSS tente aussi un rapprochement avec les démocraties parlementaires, en vue de faire renaître l'alliance de la Grande Guerre. Le Komintern encourage désormais la constitution de Fronts populaires antifascistes, notamment en France et en Espagne. En 1934, l'URSS entre à la Société des Nations. En mai 1935, elle conclut un pacte avec la France. Fin 1936, elle est le seul État à intervenir activement en faveur de l' Espagne républicaine (qu’elle cherche aussi à satelliser).
Cette politique d'alliance échoue face aux réticences de la France et du Royaume-Uni, où le pacifisme et l'anticommunisme restent très puissants, ainsi qu'en raison des purges qui meurtrissent l'Armée rouge et les font douter de la puissance de cette dernière. Les exigences de Staline (notamment le passage des troupes soviétiques à travers la Pologne et la Roumanie) contribuent aussi à faire obstacle à la conclusion d'un accord, notamment à cause de l'opposition de la Pologne du général Beck. Le 30 septembre 1938, les démocraties abandonnent la Tchécoslovaquie à Hitler lors de la conférence de Munich, à laquelle l'URSS n'a même pas été invitée.
Furieux et doutant de leur volonté de s'opposer réellement à la menace nazie, Staline fait clairement comprendre, lors du XIXe congrès du PCUS (mars 1939), qu'il n'exclut pas un accord avec Berlin pour protéger l'URSS, et que le pays se vendra au plus offrant. Le même mois, le chef de la diplomatie soviétique, Maxim Litvinov (maître-d'œuvre de la ligne antifasciste, époux d'une Britannique et d'origine juive), est remplacé par Molotov. Le 23 août 1939, en l'absence de proposition claire des Occidentaux, le pacte germano-soviétique est signé au Kremlin.
L’URSS met alors à profit ce pacte pendant deux ans, annexant plus de 500 000 km2 et s’accroissant de 23 millions d’habitants. La terreur et la soviétisation forcée accélérée s’abattent aussitôt sur les pays baltes et la Moldavie absorbés, ainsi que sur les territoires repris par l’Armée rouge à la Pologne, et ceux arrachés à la Finlande, suite à l'échec d'un échange à l'amiable, lors de la difficile Guerre d'Hiver — ce qui a par ailleurs valu à l'URSS d'avoir été le seul pays exclu de la SDN. Des centaines de milliers d’habitants sont déportés brutalement et arbitrairement, le système économique soviétique exporté tel quel, les cultures locales étouffées, une partie des élites assassinée, en particulier les 20 000 officiers polonais massacrés à Katyń et dans d'autres lieux.
Le 22 juin 1941, Hitler rompt le pacte et l’armée allemande envahit le territoire soviétique (Opération Barbarossa). En quelques mois, la Wehrmacht conquiert une large part de la Russie d’Europe, encercle d’immenses armées et fait prisonniers des millions de soldats, qui seront délibérément affamés et exterminés. Le pouvoir soviétique disparaît sur une vaste zone.
Tract allemand en russe, 1941 : « Ne verse pas ton sang pour Staline ».
Parfois bien accueillis au départ par les populations, les nazis s’aliènent vite tout soutien possible en dévoilant leurs projets criminels prémédités, et en se livrant à une guerre d’extermination raciste contre les populations civiles slaves, tziganes et surtout juives..
Livré à des administrateurs nazis extrêmement brutaux, à l’image du gauleiterErich Koch en Ukraine, le pays est mis en coupe réglée, ses habitants délibérément affamés. Aucune concession n’est faite aux nationalistes locaux, et l’armée Vlassov, antibolchevique, ne sera utilisée qu’à l’Ouest. Au grand déplaisir des paysans, les structures staliniennes ne sont pas remises en cause, afin de faciliter le pillage des ressources agricoles, et les prélèvements obligatoires sont même aggravés sous peine de mort. Le « décret des commissaires » signé par Wilhelm Keitel avant l’invasion se traduit par le massacre sommaire des commissaires politiques capturés et des membres du Parti. Tortures et massacres de civils sont quotidiens, ou encore les rafles massives de main-d’œuvre à destination du Reich. Première grande tuerie de la Shoah, 1 500 000 Juifs soviétiques sont massacrés sur place par les Einsatzgruppen, parfois avec la participation d’habitants. Connues de part et d’autre du front, ces atrocités rallient largement la population soviétique au régime de Staline, qui incarne désormais la lutte de la nation pour sa survie même.
Malgré ses graves revers des premiers mois, l’Armée rouge résiste, au prix de millions de soldats. À la surprise de l’ennemi, elle ne s’effondre pas, et ne cesse dès le premier jour de multiplier les contre-offensives. Les Allemands découvrent que sa qualité combative est infiniment supérieure à ce qu’ils préjugeaient, de même que l’abondance et la qualité de son matériel. Ils découvrent le char moyen T-34, l'un des meilleurs de la Seconde Guerre mondiale, dont ils ne soupçonnaient même pas l’existence. Les Soviétiques engagent aussi contre eux plusieurs réussites techniques comme les katiouchka ou « orgues de Staline ». Une politique de terre brûlée radicale fait le vide devant l’envahisseur.
Dès l’invasion, les usines sont démontées et déplacées à l’Est en même temps que 10 millions de personnes. Remontées en Sibérie et dans l’Oural, elles produisent dès 1942 plus d’armes que l’Allemagne nazie, au prix d’énormes efforts consentis par les travailleurs civils. L’URSS bénéficie aussi d’une indispensable aide matérielle des Alliés anglo-américains, abondante et de qualité.
Le patriotisme et le contexte de guerre totale expliquent en bonne part l’endurance des soldats et des civils. Ainsi la cité de Leningrad, soumise délibérément par Hitler à un blocus meurtrier responsable de près d'un million de morts, résiste à un siège de près de mille jours. En restant spectaculairement dans Moscou directement menacée, Staline contribue en personne à galvaniser les énergies et à enrayer un début de panique populaire, avant que l’Armée rouge ne brise aux portes de la ville l’avance d’Allemands à bout de forces (6 décembre 1941). Dans les territoires occupés, de fortes bandes de partisans agissent dès 1941 ; le Kremlin entreprend dès 1942 de les ravitailler et de les replacer sous un contrôle étroit. En juin 1944, la Biélorussie comptera un million de partisans, la plus forte concentration de guérilla de l’Europe occupée.
La guerre change profondément le système stalinien, qui doit faire appel d’emblée au nationalisme le plus poussé et s’associer à l’Église orthodoxe afin de conserver une cohésion nationale suffisante pour repousser les troupes allemandes. Fidèles reflets du parti russe, les partis communistes du monde entier adoptent des lignes patriotiques et ouvertes au dialogue avec les autorités religieuses et avec les formations politiques les plus diverses. Staline assouplit aussi la collectivisation des terres, met en veilleuse la lutte des classes, le réalisme socialiste en art, les contraintes politiques. Des milliers d’officiers de l’Armée rouge jadis purgés sont réintégrés et sortis au besoin du Goulag, tels le futur maréchal Rokossovki ; un million de détenus libérés des camps se battent au front. Le temps est à l’union sacrée et patriotique.
Cependant, la terreur et la nature totalitaire du régime jouent aussi un rôle considérable. Dès 1941 et encore à Stalingrad, des équipes du NKVD se chargent ainsi de mitrailler les soldats qui refluent vers l’arrière. Des officiers et des généraux sont fusillés dès les premiers jours, boucs émissaires des erreurs du Kremlin. Les commissaires politiques surveillent de près les chefs militaires, exposés en permanence à une disgrâce de Staline. Les prisonniers de guerre sont considérés comme des traîtres et officiellement reniés, leurs familles laissées sans aides et passibles de poursuites. Toute défaillance au front vaut l'arrestation. En 1941-1942, ce ne sont pas moins de 994 000 soldats qui sont officiellement condamnés, dont 157 000 exécutés. Encore en 1945, toute critique peut valoir l’envoi au Goulag : Alexandre Soljenitsyne est ainsi arrêté sur le front de Pologne pour avoir mis en doute le génie militaire de Staline.
En 1941, aucun plan d’évacuation des civils n’a été prévu ni esquissé. Les Juifs quant à eux avaient été laissés dans l’ignorance des atrocités antisémites allemandes, et n’ont souvent pas cherché à fuir avant l’arrivée des nazis. Seuls les détenus du régime ont été emmenés dans des marches forcées dramatiques, sauf à être souvent fusillés sur place avant l’arrivée des Allemands. C’est pourtant aussi en pleine avancée ennemie que le NKVD distrait des forces non négligeables du front pour déporter en totalité les Allemands de la Volga, descendants de colons installés au XVIIIe siècle (août 1941). En 1944, une quinzaine de nationalités sont déportées en intégralité, femmes, enfants, militants communistes et soldats décorés compris, sous la fausse accusation de collaboration avec les nazis. Parmi eux, les 600 000 Tchétchènes déportés en six jours seulement (mars 1944), un record historique inégalé.
L’avancée soviétique en Europe de l'Est s’accompagne aussi d’une vague de pillages, de rafles et de disparitions ; en Allemagne orientale, les troupes sont encouragées à perpétrer des viols massifs en représailles aux exactions nazies en territoire soviétique, tandis qu’à titre de réparations, une grosse part du potentiel industriel de la future RDA est démonté et expédié en URSS.
Victorieuse devant Moscou, l’Armée rouge sort triomphante de la dramatique bataille de Stalingrad en février 1943, tournant décisif de la guerre. À la bataille de Koursk, la plus grande confrontation de blindés de l’Histoire se conclut par un nouveau succès soviétique. En 1944, le territoire national est reconquis. L’Armée rouge enfonce le front et libère la moitié de l’Europe, poussant jusqu’à Berlin.
Cette position militaire ne peut qu’être ratifiée par les alliés anglo-américains. La conférence de Yalta (4-11 février 1945), tenue en territoire soviétique, confirme Staline comme principal vainqueur de la guerre en Europe. Jusqu’à l’ouverture tardive du second front en Normandie en juin 1944, les forces soviétiques ont porté presque seules le poids de la guerre, affrontant les troupes allemandes les plus aguerries et les mieux équipées. Au moins 85 % des Allemands mis hors de combat l’ont été sur le front de l’Est.
À la fin du conflit, l’URSS devient la deuxième superpuissance mondiale. Ses annexions sont entérinées et elle est membre permanent du Conseil de Sécurité de l’ONU. Son prestige international est immense, bien au-delà des cercles communistes ou des hommes de gauches. Mais le prix de la victoire est gigantesque : sans doute 27 millions de morts civils et militaires, des millions de réfugiés et de sans-abris, et les plus vastes destructions matérielles jamais subies par un belligérant dans l’histoire humaine. Des milliers de villes, d’exploitations agricoles et de voies de communications sont détruites. En 1946-1947, la sécheresse et une nouvelle famine en Ukraine causent plus de 500 000 morts.
