爱华网百团大战后，侵华日军将视线转移至它们的后方——共产党控制的华北地区。开始将前线作战的日军抽调至华北，以维护对美、对华战争物资的流通，1941年底，华北日军兵力达到47万，并集中了傀儡政权中投入战场的全部伪军。为应对共产党方面的游击战术，采用了“保甲制度”来断绝共产党军队与当地民兵的接触，设立无人区，进行三光政策来压制八路军的活动空间。为达到这个目的，日本军队希望利用屠杀来震慑抗日力量，在华北进行了大量的屠杀惨案。并使用了违反国际法的生化武器来作战。其中1942年的冀中“五一大扫荡”，八路军和冀中根据地遭到最严重的损失，八路军伤亡1万多人，日军也伤亡2万人之多，有1万多青壮年被日军抓走充当苦力，战后八路军主力被迫撤离冀中，日军暂时控制了冀中平原。1942年太行区反扫荡中，八路军司令部遭到巨大损失，副参谋长左权牺牲，副总司令彭德怀惊险突围。中国政府根据1941年12月《中英共同防御滇缅路协定》，应英国政府请求遂以第五、六、六十六军，共十万余人组成远征军。由远征军第一路司令长官罗卓英和同盟国中国战区参谋长史迪威指挥，于1942年2月先后入缅作战。
另一方面，国民党的反共倾向也日渐增长，蒋介石采取“消极抗日，积极反共”的政策，掀起了三次反共高潮，妄图消灭共产党和敌后抗日根据地。中国共产党坚持“发展进步势力，争取中间势力，孤立顽固势力”的方针，领导解放区军民一面抗击日伪军的“大扫荡”，一面打退了国民党的三次反共高潮，巩固和发展了抗日根据地。至1943年12月，日军在兵力严重不足的情况下，被迫收缩战线，华北方面军停止向抗日根据地的进攻。
第三阶段：从1944年1月解放区战场局部反攻至1945年8月日本宣布无条件投降，是战略反攻阶段。1944年，共产党领导的敌后军民在华北、华中、华南地区，对日伪军普遍发起局部反攻。与此同时，国民党正面战场的豫湘桂战役却出现了大溃败的局面，先后丧失了河南、湖南、广西、广东等省的大部分和贵州省的一部。豫湘桂溃败的同时，中国远征军和中国驻印军发起了滇西缅北大反攻。1944年5月，由卫立煌将军指挥的中国远征军强渡怒江，发起滇西反攻，先后攻克日军坚固防守的松山、腾冲、龙陵，收复西南失地，将日军逐出国门。由史迪威和郑洞国指挥的中国驻印军也在缅甸北部发起了反攻。中国驻印军先后在胡康河谷，孟拱河谷和密支那取得大捷，全歼日军名震东南亚的第18师团，战果辉煌。1945年1月23日，中国远征军和中国驻印军在缅甸芒友会师。中国军队收复滇西失地，打通中印公路，取得滇西缅北反攻的胜利。
1945年，八路军、新四军向日军发动了大规模的春、夏季攻势，扩大了解放区，打通了许多解放区之间的联系。当时，由于国民党军队主力分散在中国的西南、西北大后方地区，日军占领的大部分城镇、交通要道和沿海地区都处在解放区军民的包围之中，因此全面反攻的任务，自然地主要由敌后抗日根据地的人民军队来进行。1945年5月，苏军攻克柏林，德军正式向盟军投降，第二次世界大战欧洲战场的战争宣告结束。1945年8月，美国军队在太平洋战场上对日作战胜利，逼近日本本土。8月6日和9日，美国在日本的广岛、长崎投掷了两颗原子弹。
8月8日，苏联政府对日宣战，出兵中国东北。8月9日，毛泽东发表了《对日寇的最后一战》的声明，要求八路军、新四军及其他人民军队，在一切可能的条件下，对一切不愿投降的侵略者及其走狗实行广泛的进攻。1945年8月14日，日本政府照会美、英、苏、中四国政府，宣布接受《波茨坦公告》。8月15日，日本天皇裕仁以广播“终战诏书”的形式正式宣布日本无条件投降。9月2日，日本投降的签字仪式在停泊于日本东京湾的美国战列舰“密苏里号”上举行。9月9日，在南京陆军总部举行的中国战区受降仪式上，日本驻中国侵略军总司令冈村宁次代表日本大本营在投降书上签字，并交出他的随身佩刀，以表示侵华日军正式向中国缴械投降。至此，抗日战争胜利结束。
整个抗日战争期间，中国军队共进行大规模和较大规模的会战22次，重要战役200余次，大小战斗近20万次，总计歼灭日军150余万人、伪军118万人。战争结束时，接收投降日军128万余人，接收投降伪军146万余人。
关于八年抗战中国的损失，抗战胜利后，抗战赔偿委员会作出的《中国责令日本赔偿损失之说贴》指出，沦陷区有26省1500余县市，面积600余万平方公里，人民受战争损害者至少在2亿人以上。自1937年7月7日至战争结束，我军伤亡331万多人，人民伤亡842万多人，其他因逃避战火，流离颠沛，冻饿疾病而死伤者更不可胜计。直接财产损失313亿美元，间接财产损失204亿美元，此数尚不包括东北、台湾、海外华侨所受损失及41.6亿美元的军费损失和1000多万军民伤亡损害。此外，七七事变以前中国的损失未予计算;中共敌后抗日所受损失也不在内。经过中国历史学家多年研究考证、计算得出，在抗日战争中，中国军民伤亡共3500多万人，中国损失财产及战争消耗达5600余亿美元。
1949年12月，中央人民政府政务院规定8月15日为抗日战争胜利纪念日。1951年8月13日，周恩来总理签署中国人民政府政务院通告，规定9月3日为抗日战争胜利纪念日。
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