Ngày 22/6/1941, quân đội Đức với sự hỗ trợ của Romania tấn công Liên Xô. Các đơn vị Đức và Romania đã chinh phục Bessarabia, Odessa và Sevastopol, sau đó hành quân về phía đông băng qua các thảo nguyên của Nga về phía Stalingrad. Romania hoan nghênh cuộc chiến vì họ là đồng minh với Đức. Adolf đã khen thưởng lòng trung thành của Romania bằng cách trả lại Bessarabia và phía bắc Bukovina, đồng thời cho phép Romania quản lý các vùng đất của Liên Xô ngay giữa Dniester và Bug, bao gồm cả Odessa và Nikolaev. Binh lính Romania ở Odessa thậm chí còn phân phát một bản địa lý cho thấy người Dacia đã sinh sống hầu hết miền nam nước Nga. Sau khi khôi phục được Bessarabia và Bukovina (Chiến dịch München), các đơn vị Romania đã sát cánh chiến đấu với quân Đức tiến tới Odessa, Sevastopol, Stalingrad và Caucasus. Romania thành lập một chính phủ dân sự, Transnistria Governorate, nhà nước Romania vẫn chưa chính thức đưa Transnistria vào khuôn khổ hành chính của mình vào thời điểm nó bị quân đội Liên Xô chiếm lại vào đầu năm 1944.
75% binh lính Romania là những người nông dân có hoàn cảnh khó khăn. Họ được phân biệt bởi sự khiêm tốn và kiên nhẫn, nhưng họ không biết chữ và do đó không thể hiểu được các thiết bị quân đội tinh vi: xe tăng, ô tô, súng máy của Đức. Quân đội Romania bao gồm những người thuộc nhiều quốc tịch khác nhau: Moldovan, gypsi, Hungary, Turk, Transcarpathian Ukraine. Các sĩ quan Romania được đào tạo cực kỳ kém. Cũng không có truyền thống quân sự nào trong quân đội Romania có thể là căn cứ để đào tạo quân nhân. Như một hạ sĩ Đức nhớ lại: Quân đội Romania mất tinh thần nhất. Những người lính ghét các sĩ quan của họ. Và các sĩ quan coi thường binh lính của họ.
Nhìn chung, tinh thần chiến đấu của các đồng minh Đức sau năm đầu tiên của cuộc chiến không ở mức tốt nhất. Đây là những gì mà chỉ huy của quân đoàn Romania thứ ba nói với Fleskim Bukuzh vào tháng 12/1942: Quan hệ giữa các sĩ quan Romania và Đức rất căng thẳng. Các sĩ quan Đức luôn giữ mình tách biệt. Các sĩ quan Romania đặc biệt phẫn nộ khi sĩ quan Romania, cùng cấp bậc, có nghĩa vụ chào đón người Đức. Binh lính và người dân ở Romania ngày càng đặt ra câu hỏi: chúng ta đang chiến đấu vì cái gì?. Sự vô nghĩa của cuộc chiến chống Nga. Tình trạng đạo đức và chính trị của quân đội Romania rất thấp vì những người lính này không quan tâm đến Nga, và đang chiến đấu dưới áp lực từ Đức.
Tổng quân số tham gia trên Mặt trận phía Đông của Tập đoàn quân 3 Romania và Tập đoàn quân 4 Romania chỉ đứng sau quân đội Đức. Quân đội Romania có tổng cộng 686.258 người trong biên chế vào mùa hè năm 1941 và tổng cộng 1.224.691 người vào mùa hè năm 1944. Số lượng quân Romania được gửi đến chiến đấu tại Liên Xô vượt quá tất cả các đồng minh khác của Đức cộng lại. Một Nghiên cứu Quốc gia của Bộ phận Nghiên cứu Liên bang Hoa Kỳ thuộc Thư viện Quốc hội Mỹ quy đây là một cuộc cạnh tranh với Hungary để lấy lòng Adolf … [với hy vọng] … giành lại miền bắc Transylvania.
Đến năm 1944, nền kinh tế Romania rơi vào tình trạng tồi tệ vì chi phí chiến tranh và các cuộc ném bom hủy diệt của quân Đồng minh trên khắp Romania, bao gồm cả thủ đô Bucharest. Ngoài ra, hầu hết các sản phẩm được gửi đến Đức – chẳng hạn như dầu, ngũ cốc và thiết bị – được cung cấp mà không có bồi thường bằng tiền, do Đức từ chối thanh toán. Kết quả của việc xuất khẩu không được bù đắp này, lạm phát ở Romania đã tăng vọt. Điều này gây ra sự bất bình rộng rãi trong người dân Romania, ngay cả trong số những người đã từng nhiệt tình ủng hộ quân Đức và cuộc chiến.
Theo một báo cáo của ủy ban quốc tế do chính phủ Romania công bố năm 2004, khoảng 280.000 đến 380.000 người Do Thái đã bị sát hại hoặc chết dưới nhiều hình thức khác nhau trên đất Romania, trong các vùng chiến sự Bessarabia, Bukovina, và trong các lãnh thổ Liên Xô bị chiếm đóng dưới sự kiểm soát của Romania. Trong số 25.000 người Romani bị trục xuất, những người bị trục xuất đến các trại tập trung ở Transnistria, 11.000 người đã chết.
Vào ngày 23/8/1944, với việc Hồng quân xuyên thủng hệ thống phòng thủ của Đức trong Cuộc tấn công Jassy-Kishinev, Vua Michael I của Romania đã lãnh đạo một cuộc đảo chính thành công chống lại phe Trục với sự hỗ trợ của các chính trị gia đối lập, hầu hết quân đội và dân thường do Cộng sản lãnh đạo. Sau đó, nhà vua đề nghị rút lui không đối đầu với đại sứ Đức Manfred von Killinger. Nhưng người Đức coi cuộc đảo chính là “có thể đảo ngược” và cố gắng xoay chuyển tình thế bằng vũ lực quân sự. Các Quân đoàn thứ nhất, thứ hai của Romania (đang hình thành), và những gì còn lại của các Quân quân thứ ba và thứ tư đã theo lệnh của Nhà vua để bảo vệ Romania trước bất kỳ cuộc tấn công nào của quân Đức. Vua Michael đề nghị đưa Quân đội Romania, lúc đó có sức mạnh gần 1.000.000 người, vào phe Đồng minh. Stalin ngay lập tức công nhận nhà vua và việc khôi phục chế độ quân chủ Rumani. Khoảng 538.000 binh sĩ Romania đã chiến đấu chống lại phe Trục trong năm 1944–45, khoảng 167.000 người đã thiệt mạng, bị thương hoặc mất tích.
Cuộc đảo chính đã đẩy nhanh cuộc tiến công của Hồng quân vào Romania, nhưng Liên Xô bắt giữ khoảng 130.000 binh sĩ Romania, những người này được đưa đến Liên Xô, nơi nhiều người đã bỏ mạng trong các trại tù. Hiệp định đình chiến được ký ba tuần sau đó vào ngày 12/9/1944, theo các điều khoản hầu như do Liên Xô quy định. Theo các điều khoản của hiệp định đình chiến, Romania tuyên bố đầu hàng vô điều kiện trước Liên Xô, xem Liên Xô là đại diện của họ, kiểm soát các phương tiện truyền thông, liên lạc, bưu điện và chính quyền dân sự phía sau mặt trận. Phụ lục của Điều 18 nêu rõ rằng: Chính phủ Romania và các cơ quan của họ sẽ thực hiện tất cả các chỉ thị của Ủy ban Kiểm soát Đồng minh phát sinh từ Hiệp định đình chiến. Hiệp định cũng quy định rằng Ủy ban Kiểm soát Đồng minh sẽ có ghế tại Bucharest. Phù hợp với Điều 14 của Hiệp định đình chiến, hai Tòa án Nhân dân Romania đã được thành lập để xét xử những tội phạm chiến tranh bị tình nghi.
Một số cho rằng việc trì hoãn chính thức của Đồng minh về sự thay đổi định hướng trên thực tế cho đến ngày 12/9 (ngày hiệp định đình chiến được ký kết tại Moscow) là do sự phức tạp của các cuộc đàm phán giữa Liên Xô và Vương quốc Anh. Trong Hội nghị Moscow vào tháng 10/1944, Winston Churchill, Thủ tướng Vương quốc Anh, đã đề xuất một thỏa thuận với nhà lãnh đạo Liên Xô Joseph Stalin về cách chia Đông Âu thành các vùng ảnh hưởng sau chiến tranh. Liên Xô được đề nghị chia 90% ảnh hưởng ở Romania.
Theo Hiệp ước Paris năm 1947, Đồng minh không thừa nhận Romania là một quốc gia hiếu chiến mà thay vào đó áp dụng thuật ngữ “đồng minh của nước Đức” cho tất cả các nước nhận các quy định của hiệp ước. Giống như Phần Lan, Romania đã phải trả 300 triệu đô la cho Liên Xô để bồi thường chiến tranh. Tuy nhiên, hiệp ước đặc biệt thừa nhận rằng Romania đã chuyển phe vào ngày 24/8/1944. Như một phần thưởng, Bắc Transylvania một lần nữa được công nhận là một phần không thể tách rời của Romania, nhưng biên giới với Liên Xô và Bulgaria đã được cố định ở trạng thái của nó vào tháng 1/1941, khôi phục nguyên trạng Barbarossa. Sau khi Liên Xô tan rã vào năm 1991, các vùng lãnh thổ phía Đông trở thành một phần của Ukraine và Cộng hòa Moldova. Ở Romania, sau Thế chiến II, Đảng Cộng sản nổi lên như một lực lượng chính trị chính, dẫn đến việc Nhà vua buộc phải thoái vị và thành lập một nước cộng hòa nhân dân vào năm 1947.
