พ.ศ. 2483 ฝรั่งเศสส่วนใหญ่ถูกนาซีเยอรมนียึดครอง และพลตรี หลวงพิบูลสงครามออกตัวแก้แค้นที่ฝรั่งเศสทำให้สยามอัปยศเมื่อ พ.ศ. 2436 และ 2447 เมื่อฝรั่งเศสวาดพรมแดนของสยามกับลาวและกัมพูชาใหม่โดยการบังคับสนธิสัญญาหลายฉบับ เพื่อจุดประสงค์นั้น รัฐบาลไทยต้องการความช่วยเหลือจากญี่ปุ่นต่อฝรั่งเศส ซึ่งมีหลักประกันโดยสนธิสัญญาระหว่างประเทศไทยกับประเทศญี่ปุ่นว่าด้วยการจำเริญสัมพันธไมตรีและต่างเคารพบูรณภาพอาณาเขตแห่งกันและกัน ซึ่งบรรลุในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2483 นอกจากนี้ ปีนั้นยังมีการบรรลุสนธิสัญญาไม่รุกรานกันอังกฤษ-ไทยระหว่างรัฐบาลบริเตนใหญ่กับราชอาณาจักรไทย วันที่ 18 กรกฎาคม พ.ศ. 2483 รัฐบาลอังกฤษตอบรับข้อเรียกร้องของญี่ปุ่นให้ปิดถนนพม่าเป็นเวลาสามเดือนเพื่อป้องกันการส่งกำลังบำรุงยามสงครามสู่จีน เมื่อรัฐบาลไทยขณะนี้สนับสนุนญี่ปุ่น รัฐบาลอังกฤษจึงบรรลุสนธิสัญญากับรัฐบาลไทยเพื่อมิให้เป็นศัตรูกับญี่ปุ่น

หลวงวิจิตรวาทการเขียนละครที่ได้รับความนิยมหลายเรื่องซึ่งเชิดชูความคิดที่ว่ากลุ่มชาติพันธุ์จำนวนมากเป็นของจักรวรรดิ "ไทย" และประณามความชั่วร้ายของการปกครองอาณานิคมยุโรป การเดินขบวนที่มีอุดมการณ์เรียกร้องดินแดนของชนชาติเดียวกันและต่อต้านฝรั่งเศสเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องรอบกรุงเทพมหานคร และปลาย พ.ศ. 2483 เกิดเหตุปะทะพรมแดนตามแม่น้ำโขง วันที่ 9 มกราคม พ.ศ. 2484 ประเทศไทยโจมตีเวียดนามตอนใต้ ทำให้รัฐบาลญี่ปุ่นมีเหตุผลที่จะเข้ามายังไซ่ง่อน ปีเดียวกันนั้น เหตุปะทะได้บานปลายเป็นสงครามขนาดย่อมระหว่างวิชีฝรั่งเศสกับประเทศไทย กำลังไทยครองสงครามทั้งทางบกและทางอากาศ แต่ประสบความพ่ายแพ้ทางเรือที่ยุทธนาวีเกาะช้าง จากนั้น ญี่ปุ่นได้ก้าวเข้ามาเป็นตัวกลางไกล่เกลี่ยข้อพิพาท ข้อตกลงสุดท้ายให้พื้นที่พิพาทในลาวและกัมพูชาแก่ไทย

เกียรติภูมิของหลวงพิบูลสงครามเพิ่มขึ้นมากจนได้รับความสุขจากการเป็นผู้นำที่แท้จริงของชาติ ราวกับจะเฉลิมฉลองในโอกาสนี้ เขาเลื่อนยศตนเองขึ้นเป็นจอมพล ข้ามยศพลโทและพลเอก อย่างไรก็ดี การรุกรานดังกล่าวทำให้ความสัมพันธ์กับอังกฤษและสหรัฐเสื่อมลงอย่างรวดเร็ว ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2484 สหรัฐตัดการส่งปิโตรเลียมมายังประเทศไทย การรณรงค์ขยายดินแดนของไทยยุติลงในวันที่ 8 ธันวาคม พ.ศ. 2484 เมื่อญี่ปุ่นรุกรานประเทศตามชายฝั่งทางใต้และจากกัมพูชา หลังจากการต่อต้านในช่วงแรก รัฐบาลหลวงพิบูลสงครามได้ยอมให้ญี่ปุ่นเคลื่อนทัพผ่านประเทศเพื่อโจมตีพม่าและรุกรานมาลายา จากเหตุการณ์ความพ่ายแพ้ของฝ่ายสัมพันธมิตรต้น พ.ศ. 2485 ทำให้เขาเชื่อว่าญี่ปุ่นจะชนะสงคราม จึงตัดสินใจสถาปนาพันธมิตรทางทหารกับญี่ปุ่น

เพื่อเป็นรางวัล ญี่ปุ่นยอมให้ไทยรุกรานและผนวกรัฐฉานและรัฐคะยาทางเหนือของพม่า และฟื้นฟูอธิปไตยเหนือรัฐสุลต่านทางเหนือของมาลายาซึ่งเคยเสียไปในสนธิสัญญาอังกฤษ–สยาม ค.ศ. 1909 เดือนมกราคม พ.ศ. 2485 หลวงพิบูลสงครามประกาศสงครามต่ออังกฤษและสหรัฐ แต่หม่อมราชวงศ์เสนีย์ ปราโมช เอกอัครราชทูตไทยประจำสหรัฐ ปฏิเสธจะส่งให้แก่กระทรวงการต่างประเทศ และประณามรัฐบาลหลวงพิบูลสงครามว่ามิชอบด้วยกฎหมายและก่อตั้งขบวนการเสรีไทยขึ้นในกรุงวอชิงตัน ปรีดี ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์ที่ไม่มีอำนาจอย่างชัดเจน นำขบวนการขัดขืนในประเทศไทย ขณะที่สมเด็จพระนางเจ้ารำไพพรรณี อดีตพระราชินี เป็นผู้นำขบวนการในนามในบริเตนใหญ่

มีการตั้งค่ายฝึกลับ ๆ ขึ้น ส่วนใหญ่โดยเตียง ศิริขันธ์ นักการเมืองและผู้นำเสรีไทย ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศ นอกจากนี้ ยังมีสนามบินลับในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ ซึ่งกองทัพอากาศอังกฤษและสหรัฐนำเสบียงมาส่ง ตลอดจนฝ่ายบริหารปฏิบัติการพิเศษ (Special Operations Executive) สำนักงานบริการด้านยุทธศาสตร์ (OSS) และเจ้าหน้าที่เสรีไทย พร้อมกับอพยพเชลยศึกออกนอกประเทศด้วย จนถึงต้น พ.ศ. 2488 นายทหารกองทัพอากาศไทยกำลังปฏิบัติหน้าที่ติดต่อประสานงานกับกองบัญชาการเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ในกัณฏีและโกลกาตา

เมื่อถึง พ.ศ. 2487 เริ่มปรากฏชัดแล้วว่าญี่ปุ่นกำลังแพ้สงคราม และพฤติกรรมของทหารญี่ปุ่นในประเทศไทยเริ่มยโสมากขึ้น กรุงเทพมหานครยังเสียหายหนักจากการทิ้งระเบิดทางยุทธศาสตร์ของฝ่ายสัมพันธมิตร ซึ่งเหตุดังกล่าว ประกอบกับความยากลำบากทางเศรษฐกิจอันเกิดจากการสูญเสียตลาดส่งออกข้าวของประเทศ ทำให้ทั้งสงครามและรัฐบาลจอมพลแปลกไม่ได้รับความนิยม ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2487 จอมพลแปลกถูกขับไล่โดยรัฐบาลที่ขบวนการเสรีไทยแทรกซึม รัฐสภาประชุมใหม่และแต่งตั้งทนายความเสรีนิยม ควง อภัยวงศ์ เป็นนายกรัฐมนตรี รัฐบาลใหม่เร่งอพยพดินแดนของอังกฤษที่จอมพลแปลกเคยยึดรองและให้การสนับสนุนขบวนการเสรีไทยอย่างลับ ๆ ขณะที่แสร้งรักษาความสัมพันธ์ฉันท์มิตรกับญี่ปุ่นไปพร้อมกัน

ญี่ปุ่นยอมจำนนเมื่อวันที่ 15 สิงหาคม พ.ศ. 2488 ทันใดนั้น ความรับผิดชอบทางทหารของฝ่ายสัมพันธมิตรต่อประเทศไทยตกแก่อังกฤษ ทันทีที่ทำได้ ทหารอังกฤษถูกส่งเข้ามาทางอากาศซึ่งรับรองการปล่อยตัวเชลยศึกที่ยังเหลืออยู่อย่างรวดเร็ว อังกฤษประหลาดใจมากที่พบว่าไทยปลดอาวุธทหารญี่ปุ่นไปส่วนใหญ่แล้ว

อังกฤษถือว่าประเทศไทยมีส่วนรับผิดชอบต่อความเสียหายอันมิอาจวัดได้ต่อฝ่ายสัมพันธมิตรและเห็นสนับสนุนให้ปฏิบัติต่อประเทศไทยในฐานะข้าศึกที่ปราชัย ทว่า สหรัฐไม่เห็นใจสิ่งที่ถือว่าเป็นลัทธิอาณานิคมอังกฤษและฝรั่งเศส และสนับสนุนรัฐบาลใหม่ ฉะนั้น ประเทศไทยจึงได้รับการลงโทษน้อยมากสำหรับบทบาทยามสงครามภายใต้จอมพลแปลก