抗日戰(zhàn)爭爆發(fā)后，任國民黨中央民眾訓(xùn)練部部長、軍委會第五部部長、11省黨部主任委員等職。1938年隨汪精衛(wèi)叛國投敵。1939年，在香港寫成《苦笑錄》一書。在汪偽政府歷任立法院院長、軍委會常委、政治訓(xùn)練部部長、上海市長兼上海市保安司令、清鄉(xiāng)委員會委員長。1944年汪精衛(wèi)死后，任偽國民政府代主席、軍委會委員長、行政院長。

1937年7月7日，盧溝橋事變爆發(fā)，蔣介石南京政府最終下定決心，抗擊日本侵略者，但同時他也想尋求通過外交途徑結(jié)束戰(zhàn)爭。1937年12月，陳公博以專使身份訪問歐洲各國，爭取意大利對中日戰(zhàn)爭采取中立態(tài)度。正當(dāng)陳公博在歐洲開展外交活動之時，日本向蔣提出了“議和條件”。1938年1月，日本近衛(wèi)首相發(fā)表不以國民政府為對手的聲明，蔣介石對日本的條件心存顧慮，沒有接受。但汪精衛(wèi)、周佛海等“低調(diào)俱樂部”卻秘密與日本政府進行談判，簽訂賣國條約。這一時期，陳公博雖對中日戰(zhàn)爭也抱極度悲觀情緒，但還沒有參與汪、周等人的投降活動。1938年11月，汪告訴陳公博：準(zhǔn)備離重慶，直接與日議和，陳公博大吃一驚，與汪爭論很久。不到一月，汪再次告訴陳公博：“中國國力已不能再戰(zhàn)”，“假使敵人再攻重慶，我們便要亡國。”此時，汪的代表已與日方代表在上海簽署了一系列協(xié)議，汪降日已成定局。

陳公博懷著極其矛盾和苦悶的心情在“走”與“不走”之間選擇。考慮再三，汪派小集團的私利在他頭腦中占了上風(fēng)。他不能忍受與汪關(guān)系中斷帶來的痛苦和自己在蔣政府中處于受人歧視的難堪境地。他決定隨汪離開重慶。

1940年3月，陳公博到達(dá)南京，擔(dān)任偽中央政治委員會委員、偽立法院長及偽軍事委員會政治訓(xùn)練部部長等職。3月30日，汪偽政權(quán)“還都”南京，他以偽立法院長身份發(fā)表廣播講話說，他們“是要救回四分五裂的國家的，是要救回水深火熱的人民的”，跟著他們，“不但可以建設(shè)新的近代的中華民國，中日也可以永久和平”。

同年5月，陳公博訪問日本，希望日本對“國-民政-府”大力協(xié)助，調(diào)整汪日邦交。經(jīng)過多次會談，日本表示：對于汪政府的承認(rèn)，大致放在日汪基本關(guān)系條約簽字之時。同年11月，日汪基本關(guān)系條約正式簽訂，這個條約是一個地地道道的賣國條約。

陳公博參與和策劃了汪偽政府的每一項重大決策，并擔(dān)任了重要職務(wù)，成為汪偽政府的二號人物。1940年10月，偽上海特別市市長被刺殺，陳公博兼任偽上海特別市市長，同時還兼任各種高級職務(wù)，如“清鄉(xiāng)”委員會副委員長等。

1944年3月，汪精衛(wèi)因病赴日治療。根據(jù)汪的提議，決定在汪治病期間，由陳公博代行偽國民政府主席之職，偽最高國防會議、偽中央政治委員會會議、偽軍事委員會常務(wù)會議等，也都由陳公博主持。同年11月，汪精衛(wèi)在日本一命嗚呼。陳公博繼承汪精衛(wèi)身前之職，任偽國民政府代主席。1945年1月，陳公博開始“重整黨務(wù)”。因為汪偽國民黨從中央到地方的各級黨部已形同虛設(shè)，很少有人專人負(fù)責(zé)。8月，正當(dāng)陳公博要召開會議之時，日本侵略者投降了。