抗日戰爭爆發後，任國民黨中央民眾訓練部部長、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、政治訓練部部長、上海市長兼上海市保安司令、清鄉委員會委員長。1944年汪精衛死後，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，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束戰爭。1937年12月，陳公博以專使身份訪問歐洲各國，爭取義大利對中日戰爭採取中立態度。正當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，日本近衛首相發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、周佛海等「低調俱樂部」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」，「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佔了上風。他不能忍受與汪關係中斷帶來的痛苦和自己在蔣政府中處於受人歧視的難堪境地。他決定隨汪離開重慶。

　　1940年3月，陳公博到達南京，擔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練部部長等職。3月30日，汪偽政權「還都」南京，他以偽立法院長身份發表廣播講話說，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」大力協助，調整汪日邦交。經過多次會談，日本表示：對於汪政府的承認，大致放在日汪基本關係條約簽字之時。同年11月，日汪基本關係條約正式簽訂，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，並擔任了重要職務，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，如「清鄉」委員會副委員長等。

　　1944年3月，汪精衛因病赴日治療。根據汪的提議，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、偽軍事委員會常務會議等，也都由陳公博主持。同年11月，汪精衛在日本一命嗚呼。陳公博繼承汪精衛身前之職，任偽國民政府代主席。1945年1月，陳公博開始「重整黨務」。因為汪偽國民黨從中央到地方的各級黨部已形同虛設，很少有人專人負責。8月，正當陳公博要召開會議之時，日本侵略者投降了。