La acordul public fusese atașat un protocol secret, în baza căruia cei doi dictatori au împărțit Europa Centrală și Răsăriteană în „sfere de influență”, ce anticipau „rearanjări politice și teritoriale” în regiune. Deși mai toată lumea a bănuit existența unui protocol secret, încă de la început, textul precis nu a fost cunoscut pînă cînd Aliații nu au găsit și publicat o copie microfilmată pe care au confiscat-o din arhivele germane.

Sovieticii au susținut tot timpul că documentul era un fals și au negat însăși existența Protocolului pînă în 1989. Trei ani mai tîrziu, Rusia a publicat Protocolul oficial ce fusese păstrat în arhivele ei.

La o săptămînă după semnarea Pactului Molotov-Ribbentrop, la 1 septembrie 1939, forțele germane au atacat Polonia, declanșând cel de-al Doilea Război Mondial. La 17 septembrie, Armata Roșie a lui Stalin a pătruns în părțile răsăritene ale Poloniei.

În noiembrie, Stalin a atacat Finlanda, ce fusese pusă în sfera de influență sovietică în baza Protocolului secret. În iunie 1940, sovieticii au instalat cu forța guverne pro-sovietice în cele trei țări baltice, care au înaintat imediat cereri de anexare a teritoriilor lor la Uniunea Sovietică. În a doua jumătate a aceleeași luni, Stalin a ocupat Basarabia și nordul Bucovinei, regiuni ce aparținea României.

În teritoriile ocupate, Uniunea Sovietică a procedat la represalii politice cu duritate, ce au inclus execuții în masă și deportări de populații.

Un an mai târziu după semnarea Pactului Molotov Ribbentrop, la 26 iunie 1940, ministrului României în Uniunea Sovietică, Gheorghe Davidescu, îi era înmânată nota ultimativă a guvernului sovietic, de către ministrul sovietic de externe, Veaceslav Mihailovici Molotov, prin care se cerea cedarea imediată a Basarabiei şi a Bucovinei de Nord, conform unei hărţi anexate.

A doua notă ultimativă a guvernului sovietic a fost prezentată în noaptea de 27/28 iunie, şi cerea guvernului român evacuarea în decurs de patru zile a teritoriilor respective, începând din 28 iunie 1940, orele 14.00. Aflat sub presiunea notelor ultimative şi în contextul izolării totale a ţării, guvernul român a răspuns la termenul fixat că "pentru a evita gravele urmări pe care le-ar avea recurgerea la forţă şi deschiderea ostilităţilor în această parte a Europei, se vede silit să primească condiţiile de evacuare specificate în răspunsul sovietic".

Armata şi administraţia română s-au retras din Basarabia şi nordul Bucovinei, însă trupele sovietice au ocupat şi ţinutul Herţa, parte a vechiului Regat. Teritoriul ocupat de sovietici avea o suprafaţă de 50.762 kmp şi avea o populaţie de 3.776.000 locuitori. Pierderea Basarabiei şi a nordului Bucovinei a determinat o schimbare esenţială în orientarea politicii externe a României. În urma capitulării Franţei în faţa Germaniei naziste la 22 iunie 1940, guvernul român a renunţat, la 1 iulie, în plină expansiune sovietică asupra teritoriului românesc, la garanţiile anglo-franceze din aprilie 1939.

Rapturile teritoriale au continuat prin Dictatul de la Viena, din 30 august 1940, când Ungaria horthystă a ocupat 43.492 km pătraţi, respectiv nord-estul Transilvaniei, cu o populaţie de 2.667.000 locuitori. Prin tratatul din 7 septembrie 1940, de la Craiova, Bulgaria a încorporat judeţele Durostor şi Caliacra, cu o suprafaţă totală de 6.921 km pătraţi şi aproximativ 410.000 locuitori.

La 22 iunie 1941, România a intrat în război, alături de Germania, împotriva URSS, în vederea reîntregirii teritoriului său. Mareşalul Ion Antonescu a ordonat armatei să treacă Prutul şi să elibereze Basarabia şi Nordul Bucovinei. Un comunicat militar oficial din 25 iulie 1941, arăta: "Lupta pentru dezrobirea brazdei româneşti de la răsărit s-a terminat. Din Carpaţi până la Mare suntem din nou stăpâni pe hotarele străbune". La acţiunile pentru eliberarea Basarabiei şi Bucovinei de Nord (până la 31 iulie 1941), au participat 473.103 militari români, pierderile ridicându-se la 24.396 militari morţi, răniţi, bolnavi, dispăruţi. După eliberarea teritoriilor româneşti, armata a primit ordin să-şi continue înaintarea dincolo de Nistru.