在国内总动员的同时，邱吉尔积极调整外交政策，开展外交活动，争取美苏两大国的支持，战争伊始，他就多次向罗斯福总统去信说明如果继续让孤立主义得逞，总有一天希特勒的魔影会笼罩到美国的头上，美国就再也不能隔岸观火了。1940 年12 月29 日罗斯福发表“炉边谈话”，1941 年3 月8日美国国会通过“租借法案”。该法案的通过应该说是邱吉尔外交的一大成功。邱吉尔还曾向苏联通报德国随时可能侵略苏联的情报。1941 年6 月22日，苏德战争爆发。当晚邱吉尔就发表了那篇着名的广播演说，表示愿意立即同苏联联合对德作战：“俄国所受到的威胁，也就是我国和美国所受到的威胁..我们只有一个目标，一个坚定不移的目标，那就是决心摧毁希特勒和纳粹政权的一切余毒。任何一个继续战斗抗击纳粹主义的国家和个人都将得到我们的援助。”邱吉尔的积极态度大大促进了战时英、美、苏三国联盟的实现。7 月12 日英苏两国签署协定表示愿意携起手来共同对德作战，决不同德国单方面讲和。1941 年8 月9 日邱吉尔与罗斯福首次在纽芬兰的阿金夏港外举行首脑会议。14 日双方签署象徵国际反法西斯统一战线的建立的“大西洋宪章”。12 月7 日珍珠港事件爆发，美国终于和英国站“在了同一条船上”。邱吉尔当即前往华盛顿，与罗斯福进行了20 多天的会谈，并在美国国会发表演说，争取美国出兵北非的保证，并建立英美联合参谋长会议。


    为了更好地採取合作行动，阻止德国的进攻，1941 年5 月苏联开始向英国提出开闢第二战场的要求，双方签订同盟条约，表示不提苏联西部疆界之事，邱吉尔表示可在1942 年内开闢第二战场。然而随着德意军队在近东和北非的节节获胜，邱吉尔越来越担忧英国传统的殖民势力了。他决定把英军的主力放在近东和地中海一带为英帝国殖民利益而战。在邱吉尔的努力下，1942 年7 月25 日美英决定暂不开闢欧洲第二战场，而在法属非洲开展攻势，即“火炬”行动计划，8 月12 日邱吉尔飞抵莫斯科，藉口部队和供应不足，不能在1942 年内开闢欧洲第二战场，争取史达林对“火炬”行动计划的贊同。


    1943 年初，盟军在北非取得重大胜利。1 月中旬，英美首脑在卡萨布兰卡举行会谈。邱吉尔放弃在1943 年跨越英吉利海峡作战的原意，主张选择“欧洲柔软的下腹部”地中海巴尔干地区作战。会谈后发表要法西斯轴心国“无条件投降”的原则，排除了对“单独媾和”可能性的任何试探。同年5 月邱吉尔再次赴美商谈地中海作战计划。但美国贊成尽早跨越海峡作战。经过多次斡旋，最后决定7 月中旬攻打义大利，跨越海峡作战开闢“第二战场”又被推到1944 年。邱吉尔因过多考虑英国的殖民利益，把欧洲战争的主要负担长久压在苏联身上，使苏联的处境十分困难。


    1943 年9 月8 日义大利宣布投降后，邱吉尔仍只在口头上支持跨越海峡作战的“霸王”行动计划，暗中筹划佯攻法国实打挪威的“木星”计划。1943年11 月27 日，邱吉尔、罗斯福、史达林在德黑兰举行战时第一次“三巨头”会议，讨论和决定未来的行动计划，为在1944 年开闢第二战场达成协议。1944 年6 月6 日盟军渡过海峡在法国登陆反攻的壮举终于实现了。邱吉尔为了英国的民族利益，出于他反对共产主义的本性，一再延缓第二战场的开闢，意图使苏德在战争中两败俱伤。他后来在战争回忆录中写下最后一卷《胜利与悲剧》，认为反法西斯战争的结束是胜利，鼓吹所谓社会主义革命运动和民族解放运动的兴起则是莫大的历史悲剧。


    1944 年8 月，邱吉尔向美国提出利用进军义大利之便宜捣中欧，先于苏军抵达维也纳，但美国坚持按原定计划，在法国西南部登陆，配合诺曼第登陆的盟军。此时似乎人人感到战争很快就会结束，邱吉尔开始考虑义大利、东欧和巴尔干地区的政治问题。10 月8 日邱吉尔访苏，但未解决主要问题，史达林答应结束对德战争后即对日宣战。12 月，邱吉尔为了维护英帝国在巴尔于的势力范围，派兵镇压希腊人民的革命运动。1945 年2 月，“三巨头”在雅尔培举行第二次会晤，讨论战后的世界政治问题。邱吉尔为防止苏联的威胁，力主与法国一道四方分区占领德国。会议还决定成立联合国组织，并就波兰问题达成协定。但邱吉尔对会议结果不满，觉得西方大国对苏联让步太多。在战争即将胜利的时刻，邱吉尔又主张盟军迅速越过易北河，抢在苏联之前占领柏林，但遭到美国的反对。邱吉尔十分懊丧，认识到英国确实已力不从心。


    1945 年5 月7 日德国无条件投降，欧战结束，邱吉尔的战时联合政府是否还需要存在下去便成了突出的问题。7 月5 日议会进行大选。7 月15 日邱吉尔前往波茨但参加第三次首脑会议。会议期间回国听候大选结果。7 月16日大选揭晓，保守党失败，邱吉尔在胜利来临的时候被赶下了台。邱吉尔无法理解，抱怨英国人民忘恩负义，同时深深地力英国在战后世界中的地位感到担忧，因为他自认为是“能够对付俄国的唯一的人”。7 月26 日晚，邱吉尔向国王提出辞呈，并婉言谢绝国王欲授的嘉德勋章。邱吉尔就这样结束了他为时5 年的战时首相的生涯，但他为挽救英国命运、为在全世界范围内消灭法西斯主义、为世界反法西斯战争的最后胜利所作出的重大贡献却永远不会为英国人民和世界人民所忘记。