1939年9月にヨーロッパで第二次世界大戦が始まると、中立政策は維持していたものの、1941年にはレンドリース法の施行により、イギリス・ソビエト連邦・自由フランス・中華民国に大規模な軍需物資の支援を行った。1941年12月には、日本による真珠湾攻撃が行なわれ、イギリスやソ連などが中心となって構成された連合国の一員として参戦した。開戦後まもなく、日系アメリカ人や南米諸国の日系人のみを強制収容所に連行した(日系人の強制収容)。日系人男性はアメリカ兵として忠誠を示すために戦った。日本海軍機によるアメリカ本土空襲などの、数回に渡る西海岸への攻撃はあったものの、本土への被害はほとんどなく、事実上の連合諸国への軍事物資の供給工場として機能し、併せて日本やドイツなどの枢軸国との戦闘でも大きな役割を果たした。1943年頃からは、ヨーロッパや南太平洋において本格的な反攻作戦を開始し、ドイツや日本に対する戦略爆撃を実施した。

1945年8月には、イタリアやドイツなど枢軸国からの亡命科学者の協力を得て原子爆弾を完成。同年、世界で初めて日本の広島と長崎に投下した。1945年5月にはドイツが、続いて8月15日には日本も降伏し、第二次世界大戦は終戦となった。

第二次世界大戦以前は非戦争時にはGDPに対する軍事費の比率は1％未満～1％台で、GDPに対する軍事費の比率が低い国だったが、第二次世界大戦で史上最大の軍拡（後述）を行い、著しい軍事偏重状態になり、軍産複合体が政治に影響力を行使する恐れがあると批判されるようになった。

連合国の戦勝国の1国となった上に、主な戦場から本土が離れていたことから国土に殆ど被害を受けなかった。戦勝国として日本の信託統治領であったマーシャル諸島、マリアナ諸島、カロリン諸島などの太平洋の島々を新たな信託統治領として手に入れるとともに、占領国や進駐国に大規模なアメリカ軍基地を造り、共産圏を除く世界を影響下に置くこととなった。また、1946年からマーシャル諸島でクロスロード作戦などの大規模な原水爆実験を繰り返して核大国としての地位を固める。

以後、世界最強の経済力と軍事力を保持する超大国として、「自由と民主主義」の理念を目的もしくは大義名分として冷戦期及びそれ以後の外交をリードする事になる。