En 1940, la guerra relámpago o Blitzkrieg demostró su devastadora eficacia con la rápida conquista de Noruega, Dinamarca, los Países Bajos, Bélgica y Francia. La evacuación milagrosa de Dunkerque salvó a cientos de miles de soldados aliados, mientras la Batalla de Inglaterra se convirtió en la primera gran derrota de la Luftwaffe. Italia entró en el conflicto del lado del Eje, ampliando el teatro de operaciones al Mediterráneo y el norte de África.
La primavera de 1940 acabó con la ilusión de la drôle de guerre. En abril, Alemania invadió Dinamarca y Noruega en una operación combinada terrestre, naval y aérea que tomó por sorpresa a los aliados. Dinamarca cayó en horas; Noruega resistió dos meses con apoyo aliado antes de sucumbir. La campaña noruega provocó una crisis política en Londres que llevó a Churchill al poder el 10 de mayo, el mismo día en que Alemania lanzó su ofensiva contra el oeste.
La caída de Francia fue el acontecimiento más impactante de 1940. El plan alemán de ataque a través de las Ardenas, consideradas impenetrables por los franceses, partió en dos a los ejércitos aliados en apenas diez días. Las divisiones blindadas de Guderian alcanzaron el canal de la Mancha el 20 de mayo, atrapando a cientos de miles de soldados británicos y franceses en una bolsa cada vez más reducida. La evacuación de Dunkerque, entre el 26 de mayo y el 4 de junio, rescató a más de trescientos mil hombres, pero Francia quedó perdida. El armisticio del 22 de junio dividió el país en una zona ocupada y el régimen colaboracionista de Vichy.
La Batalla de Inglaterra, librada entre julio y octubre de 1940, fue el primer enfrentamiento exclusivamente aéreo de la historia y la primera derrota significativa de Alemania. La RAF, superada en número pero apoyada por el radar y un sistema de defensa aérea integrado, rechazó los intentos de la Luftwaffe de obtener la superioridad aérea necesaria para una invasión. Hitler pospuso indefinidamente la Operación León Marino, el plan de invasión de las islas británicas.
La entrada de Italia en la guerra en junio amplió el conflicto al Mediterráneo. Mussolini, ansioso por participar en el reparto del botín, lanzó ofensivas en el norte de África y Grecia que resultaron desastrosas y obligaron a Alemania a acudir en rescate de su aliado. El ataque británico a la flota francesa en Mers-el-Kébir, necesario para evitar que cayera en manos alemanas, fue uno de los episodios más amargos entre los aliados. Al terminar 1940, el Reino Unido resistía solo, pero la guerra del desierto en el norte de África había comenzado.