抗日战争时期，在苏、美等国的帮助下，国民党军队在军事体制、武器装备和军兵种建设各方面均有很大发展。“七七”事变后，蒋介石将军事委员会、隶属于行政院的军政部、海军部和隶属于民国政府的军令部、训练总监部合并组成大本营，以统帅全国军队。大本营后来又改称军事委员会。为了适应战时需要，1937年9月军事委员会进行了改组，下设第一部（负责作战）、第二部（负责政略）、第三部（负责财政金融）、第四部（负责经济）、第五部（负责宣传）、第六部（负责民众训练）。

抗战时期，陆军仍是国民党军队的主体。抗战爆发前，民国政府积极整军备战。1934年12月，蒋介石制定了整训陆军60个师的计划。1935年3月，成立“陆军整理处”，以陈诚为处长，着手整军工作，并将整编范围扩展到骑、炮等特种兵。到“七七”事变发生时，共整编了30个师。抗战初期，国民党陆军整编、未整编的部队共计：步兵182个师又46个独立旅，骑兵9个师又6个独立旅，炮兵4个旅又20个独立团，共约170万人。1945年，国民党陆军增至319个师又22个旅。为了适应战争的需要，民国政府在抗战期间共把全国分为12个战区，战区下设集团军，集团军一般由两个以上的军组成，配以必要的特种兵部队。1938年，民国政府颁行军师新编制，确定以军为基本作战单位，甲种军辖3个师，乙种军辖2个师，师下设团，实行1师3团制。各师配备山炮或野炮特种兵，另设立直辖于师部的骑兵连、工兵营、通信兵营、辎重营、特务营、野战医院各1个。

国民党军步兵的主要武器为79式、中正式、38式步枪和24年式、26年式仿捷克轻机枪。另外还有从国外输入的美制勃朗宁30英寸轻机枪、加拿大勃然式7.9毫米轻机枪，法制哈齐开斯式7.9毫米重机枪、捷克B-53式7.9毫米重机枪、日制93式13毫米重机枪。

抗战爆发后，中国炮兵先后配备了苏联09式76毫米山炮、美国M1A1式75毫米山炮，苏联30式76.2毫米野炮、美国M1892A2式75毫米野炮，美制M2A1式105毫米榴弹炮、M3式105毫米榴弹炮、M1918式155毫米榴弹炮。炮兵力量有了明显加强。

中国军队最早装备坦克是1929年。国民党军队购进18辆英制坦克，组建了装甲队。此后又购进了少量意大利造菲亚特式、法国造雷诺式轻型坦克。1935年，民国政府从英国购进威克斯炮坦克及威克斯轻型两栖坦克32辆，组建了第一个战车教导营。1937年，又从德国购进克虏伯坦克16辆，组建装甲兵第1团。抗战初期，又从苏联进口了少量T-26B式坦克。抗战后期，中国驻印军曾组建多个战车营，装备了美制M3A3轻型坦克和M4A3中型坦克。除坦克外，中国军队还使用了少量装甲战斗车和装甲侦察车，主要有美制M3A1装甲侦察车等。

全国抗战爆发前，中国空军共有9个大队31个中队，装备各式作战飞机314架。抗战爆发后，周至柔任空军前敌司令部指挥官，宋美龄任航空委员会秘书长。淞沪抗战中，中国空军积极出动，与日本航空队展开激战，至1937年11月底，作战飞机只剩30余架，基本丧失作战能力。中国的抗战得到苏联的支持。1937年8月，中、苏两国政府签订了《互不侵犯条约》之后，苏联政府就开始提供中国政府以购买武器的贷款，苏联军事顾问和苏联空军志愿队也先后来到了中国抗日前线。1937年底，苏联援助中国140多架战斗机和轰炸机。到1941年，中国共从苏联购买飞机997架，包括：波利卡尔波夫伊-15、伊-16战斗机，图波列夫轻型轰炸和重型轰炸机。苏联专家还帮助中国训练飞行员、领航员和其他空军技术人员。苏联还于1937年底直接派遣志愿航空队来华支援中国抗战。苏联志愿航空队拥有作战飞机500架，极大地支援了中国的抗战。1939年欧战爆发，苏联逐步停止了对中国的军事援助，并撤走了志愿航空队，中国空军再度丧失制空权。到1940年，仅剩作战飞机60多架。

1941年，美国志愿航空队在昆明成立，定名为“中国空军美国志愿大队”，号称“飞虎队”，帮助中国抗战。“飞虎队”下辖3个驱逐机中队，拥有各式作战飞机125架，陈纳德上校任指挥官。1942年7月，该志愿队改编为美国空军驻华特遣队，隶属于美国空军第10航空队。1943年，正式改编为美国空军第14大队，拥有作战飞机600多架，陈纳德任少将司令。1942年，滇缅公路为日军所封锁，应中国政府的请求，陈纳德“飞虎队”开辟了“驼峰”航线，即从印度东北部的阿萨姆机场起飞，飞越喜马拉雅山至云南昆明。“飞虎队”通过这条十分危险的航线，将国际援助物资运抵中国，极大地鼓舞了中国人民抗战的信心。1942年后，美国政府根据租借法案向中国空军提供作战飞机，包括：P-40“好战者”、P-47“雷电”和P-51“野马”型战斗机，B-25“米切尔”轻型轰炸机和B-24“解放者”重型轰炸机，C-43、C-47型运输机等，这些都是当时世界上较先进的作战飞机。美国还帮助中国培训空军人员，中国空军作战水平由此得到很大提高。1943年以后，中国空军开始同第14航空队并肩作战，逐步从日军手中夺取了制空权。到1944年，中国空军共有5个大队。

抗战期间，中国逐步建立了空军、炮兵、工兵、辎重兵、化学兵等诸兵种，开启了中国军队多军兵种合成作战的新时代。

自1937年7月7日日本发动全面侵华战争以后，中国军队先后进行了太原会战、淞沪会战、南京保卫战和武汉会战。其中，参加武汉会战的中国军队包括14个集团军、47个军、120余个师，作战飞机200多架、舰艇30多艘，总兵力100余万人。这是抗战以来投入兵力最多、准备最充分、由陆海空三军协同作战的一场大会战。中国军队作战英勇顽强，日军历时四个半月、以伤亡3万余人的代价才占领武汉。在武汉会战中，出现了许多英勇感人的事迹。海军“中山舰”在长江金口作战，遭敌15架飞机轮番轰炸，舰长萨师俊腿被炸断，仍然抱着铁柱坚持指挥作战，最后“中山舰”被炸沉，全舰官兵壮烈牺牲。苏联援华志愿航空队在会战中发扬崇高的国际主义精神，与中国空军配合作战、有200多人血洒长空，包括轰炸机大队长库里申科和歼击机大队长赫曼诺夫。中国军队的英勇抗战，迫使日军停止战略进攻，使日本“速战速决”占领全中国的计划彻底失败。

1941年底，为了支持同盟国抗战，中国派遣远征军入缅作战。远征军由第5、第6和第66军组成，约10万人。远征军第一次入缅作战，历时5个月，付出了惨重代价，伤亡6万多人，并没有达到保卫滇缅公路的目的。剩余的一部分远征军西撤印度，改称驻印军。1943年，驻印军改编为新1军，下辖第22、第30、第38师，各师下辖3个步兵团，另直辖2个山炮营和工兵营、通信兵营、辎重兵营、搜索连、特务连、卫生队、野战医院各1个。全军总兵力4万多人。步兵配备美制M1式半自动步枪、M1式和M2式卡宾枪、美制M3式45英寸冲锋枪、仿捷克式轻机枪以及美制勃朗宁M1917A1式重机枪、美制M2式60毫米迫击炮、美制30年式37毫米平射炮，山炮营配备美制M1Al式75毫米山炮。驻印军长官部还直辖7个轻型坦克营，装备美制M3A3轻型坦克；1个高射机枪营，装备美制M1式40毫米高射机关炮；3个炮兵团，主要配备美制M1897A2式75毫米野炮、美M3式105毫米榴弹炮、M2A1式105毫米榴弹炮、M2A1式105毫米榴弹炮；一个重迫击炮团，配备美制M1式81毫米迫击炮、150毫米迫击炮等。另有2个工兵团。各部队还装备了先进的美制通信设备和大量卡车。新1军成为首批大量装备美制武器的中国军队。随后，驻云南的远征军开始装备部分美制武器，部队武器装备有了较大改善。1943年后，为了打通滇缅公路，增加盟国对中国的物资援助，新1军（后来重新整编为新1军和新6军）和远征军第11、第20集团军向缅北、滇西的日军发动全线反攻，至1945年3月，全歼缅北、滇西日军，完全打通了中国西南陆上交通线，为整个缅甸战场取得胜利创造了条件。

1945年，世界反法西斯战争接近最后的胜利。2月，美、苏、英三国首脑在雅尔塔秘密签署了《雅尔塔协议》，确定苏联在欧洲战争结束后的2至3个月内参加对日作战。5月8日，德国无条件投降。7月17日至8月2日，斯大林、丘吉尔、杜鲁门举行波茨坦会议，7月26日发表《美英中促使日本投降之波茨坦公告》、通告日本政府立即无条件投降。8月6日和9日，美国空军在广岛和长崎各投下一颗原子弹；8日、苏联对日宣战，9日，百万苏军分四路进军中国东北，经过20多天激战，歼灭日军67万多人。在世界反法西斯力量的共同打击下，1945年8月15日，日本天皇向全国广播了《停战诏书》，宣布日本无条件投降。中国人民经过8年浴血奋战，终于战胜了日本帝国主义，取得了抗日战争的伟大胜利。

八路军、新四军武器配备规格不一，种类繁多，武器主要来源于战场缴获，抗战初期曾得到民国政府的少量补给。另外，各根据地也开展军工生产，自己制造武器弹药。1940年8月，八路军步枪制造所研制成“81式”步马枪。但由于客观条件的限制，八路军、新四军军工厂生产技术差、生产的武器远远不能满足战争的需要，武器主要还是依赖战场缴获。八路军、新四军仍是单一陆军军种，配备的武器主要有：中正式、79式、81式、日造38式步枪，仿捷克24年式、26年式轻机枪，毛瑟10响、20响驳壳枪，31年式50毫米、60毫米迫击炮以及日造41式山炮等。此外还有少量重机枪、高射机枪、野炮等。

八路军及其势力范围内的地方军——民兵，手持古老的武器进行作战。从打倒的日本兵手里夺取武器，用以装备自己。在长治战斗中，我们俘虏的许多人和缴获的武器，主要是土枪、长矛、老套简、青龙刀之类。兵器之类的东西，都是从日本军队手中夺到的，如步枪、长枪、刺刀、八八式掷弹简、三二式军刀等。在军刀的布套上，还明显地用毛笔字写着：刀主、××部队××曹长的名字。恐怕这个XX曹长已经战死了。在八路军俘虏的兵器中，最早的有大正十几年（二十年代）出厂的旧式四一山炮一门。这门大炮上用铆钉钉的牌子上明白地写着大正十几年大阪兵工厂制造的字样。很显然，这是日本商人卖给中国地方军阀的。就是这样一门很旧的山炮，对八路军来说，恐怕也是宝贝一样的武器了。总之，八路军就是这样，以自己所拥有的各种武器，进行顽强地战斗；以自己的生命为代价，从日军手中一件一件地夺取兵器，用以装备自己。