Nach Beginn des Zweiten Weltkriegs blieb eine totale Mobilisierung von Wissenschaft und Forschung für die deutsche Kriegsführung zunächst aus. Die technischen Fortschritte bei der Kernforschung sowie beim Bau von Düsenjägern und Raketen wurden zugunsten der Entwicklung kurzfristig verfügbarer Waffensysteme vernachlässigt. Erst nach dem Scheitern der "Blitzkrieg"-Taktik in der Sowjetunion 1942 und wegen des wachsenden technologischen Vorsprungs der Alliierten forcierte das NS-Regime die militärische Nutzung technischer Forschungsergebnisse. Unter dem Vorsitz von Hermann Göring wurde der Reichsforschungsrat neu organisiert, der ab 1943 erhebliche Sondermittel für kriegswichtige Entwicklungen zur Verfügung stellte. Wissenschaftler aus allen Bereichen bemühten sich daher, ihre Forschungsvorhaben als "kriegswichtig" zu deklarieren. Allerdings wurden in erster Linie technische und naturwissenschaftliche Forschungen für den Kriegseinsatz unterstützt, die Geisteswissenschaften profitierten kaum von den Geldzuwendungen.
Erst nach Kriegsbeginn stiegen die seit der nationalsozialistischen Machtübernahme stagnierenden Studentenzahlen an den Hochschulen und Universitäten wieder leicht an, hauptsächlich aufgrund des deutlichen Zuwachses weiblicher Studentinnen von etwa 2.000 auf fast 25.000 zwischen 1939 und 1943. Demgegenüber verließen viele Studenten als Kriegsfreiwillige die Universitäten und traten in die Wehrmacht oder Schutzstaffel (SS) ein.
Noch wichtiger waren die angehenden Akademiker allerdings als Spezialisten in der Waffenfertigung und an anderen kriegswichtigen Forschungsstellen. Um Hochschulabsolventen schneller in den Produktionsprozess integrieren zu können, führten die meisten Universitäten mit dem Wintersemester 1939/40 zur Verkürzung der Studiendauer die Trimester ein. Trotz zunehmender Luftangriffe wurde der akademische Betrieb an den Hochschulen noch im Wintersemester 1944/45 aufrechterhalten, wenn auch unter eingeschränkten Bedingungen.
Die Geisteswissenschaftler suchten "kriegswichtige" Aufgabenfelder in der Publikation wissenschaftlicher Beiträge zur politisch-ideologischen Zielsetzung des Kriegs, den sie nicht nur als rein militärische Waffenführung, sondern zugleich als geistig-kulturelle Auseinandersetzung und als Weltanschauungskampf interpretierten. Philosophen wie Theodor Haering (1884-1964) verglichen unter völkisch-rassistischen Kriterien die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der deutschen und europäischen Philosophie. Rechtshistoriker und Staatsrechtler bemühten sich aufgrund der militärischen Eroberungen Deutschlands in Europa um einen neuen Reichsbegriff, der den traditionellen Staatsbegriff ersetzen und zugleich die deutsche Annexionspolitik legitimieren sollte. Abgeleitet von Sprache und Dichtung wollten führende Germanisten wie Gerhard Fricke (1901-1980), Franz Koch (1888-1969) und Leo Weisgerber (1899-1985) die deutsche Expansion mit einen kulturellen Sendungsauftrag begründen.
In dem von Alfred Rosenberg 1941 eröffneten außeruniversitären "Institut zur Erforschung der Judenfrage" in Frankfurt/Main sollten alle relevanten Gegenstände, Dokumente und Bücher über das "Judentum" gesammelt werden, um die NS-Rassenpolitik und die Verfolgung der jüdischen Bevölkerung wissenschaftlich legitimieren zu können. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Ausbau der Bibliothek. Insgesamt sollten über 550.000 aus ganz Europa geraubte Bücher als Beutegut dem Institut zugeführt werden. Davon sind etwa 300.000 in Frankfurt angekommen, aber nur knapp ein Zehntel wurde katalogisiert. Die angestrebten wissenschaftlichen Veröffentlichungen blieben aus; das dem Institut zugehörige Publikationsorgan "Weltkampf. Die Judenfrage in Geschichte und Gegenwart" unter der Schriftleitung des Wirtschaftshistorikers Peter-Heinz Seraphim (1902-1979) war lediglich eine NS-Propagandazeitschrift.
Der nationalsozialistische Vernichtungskrieg ermöglichte den Naturwissenschaftlern, wissenschaftlich unhaltbare Forschungsexperimente durchzuführen. Zahlreiche Erbbiologen und Mediziner nutzten den rechtslosen Raum der Konzentrationslager (KZ) zu pseudomedizinischen Menschenversuchen. Im KZ Dachau führten Luftwaffenärzte in Zusammenarbeit mit SS-Medizinern ab 1942 tödliche Unterdruck-, Höhenflug- und Unterkühlungs-Experimente an Häftlingen durch, um menschliche Reaktionen in großer Höhe zu simulieren. Zusammen mit dem auf Initiative von Heinrich Himmler 1942 gegründeten "Institut für Wehrwissenschaftliche Zweckforschung" untersuchten Ärzte wie Erwin Ding-Schuler (1912-1945), Sigmund Rascher (1909-1945) oder August Hirt (1898-1945) in den KZ Dachau, Natzweiler und Buchenwald die Reaktion des menschlichen Körpers auf Fleckenfieber- und Choleraerreger sowie auf verschiedene Giftgase. Im KZ Sachsenhausen mussten Häftlinge schwer bepackt täglich 40 Kilometer auf unterschiedlichen Bodenbelägen marschieren, um die Qualität von Wehrmachtsstiefeln zu erproben. Josef Mengele untersuchte in Auschwitz hauptsächlich an Zwillingen die Richtigkeit seiner Vererbungstheorien. Dabei führte er neben umfangreichen anthropologischen Messungen auch Versuchsoperationen ohne Narkose durch, um die Schmerzempfindlichkeit von Zwillingen vergleichen zu können. Anderen Kindern injizierte er Bluttransfusionen, um die Blutserum-Reaktionen von Zwillingspaaren zu studieren. Auch im Zuge des "Euthanasie"-Programms wurden Menschen zu medizinischen Experimenten missbraucht. In den Heilanstalten Wittenau und Kaufbeuren infizierten Ärzte zu Versuchszwecken behinderte Kinder mit Tuberkuloseerregern. Der Hirnforscher Julius Hallervorden (1882-1965) griff für neurobiologische und hirnpathologische Forschungen unter anderem auf Gehirne ermordeter Kinder zurück. Im Neurologischen Forschungsinstitut Breslau verfasste der Neuropathologe Dr. Hans-Joachim Scherer (1906-1945), nicht ohne Wissen von Institutsdirektor Professor Viktor von Weizsäcker (1886-1957), ebenfalls zahlreiche Obduktionsberichte über Gehirn- und Rückenmarksektionen, deren Präparate von in der Landesheil- und Pflegeanstalt Lublinitz ermordeten Kindern stammten.
Ein wesentlicher Grund für die verhältnismäßig späte Entwicklung neuerer Militärtechnik war die Einberufung zahlreicher vor allem jüngerer Forscher und Ingenieure unabhängig ihrer wissenschaftlichen Qualifikationen zur Wehrmacht. Besonders der Leiter des Planungsamtes im Reichsforschungsrat, Werner Osenberg (1900-1974), war daher bestrebt, ungenutzte Forschungskapazitäten zu aktivieren und vom Militär eingezogene Forscher und Techniker wieder an ihre Wirkungsstätten zurückzuholen. Ein Erlass des Oberkommandos der Wehrmacht (OKW) von 1943 ordnete die Freigabe von etwa 5.000 Wissenschaftlern an, dessen praktische Durchführung sich allerdings aufgrund des Kriegs schwierig gestaltete. Bis Juli 1944 kehrten gerade einmal 2.000 Wissenschaftler in ihre Einrichtungen zurück.
Neben Personalengpässen hinderten auch Rohstoffmängel und fehlende Fertigungskapazitäten technologische Weiterentwicklungen. Der geplante deutsche Flugzeugträger "Graf Zeppelin" befand sich zu Kriegsbeginn noch im Bau, nachdem das 262,6 Meter lange und 36,2 Meter breite Schiff bereits 1938 in Kiel vom Stapel gelassen wurde. Neben den insgesamt 200.000 PS Leistung, die eine Geschwindigkeit von knapp 34 Knoten erzeugen konnten, sollte der Träger mit 78 Geschützen und Flakkanonen sowie 42 Flugzeugen verschiedenster Bautypen ausgestattet werden. Doch mangelnde Werftkapazitäten verzögerten immer wieder die Fertigstellung, bis 1940 schließlich ein völliger Baustopp verfügt wurde, der abgesehen von kurzeitigen Ausnahmen bis 1945 bestand. Unmittelbar vor dem Einmarsch der Roten Armee wurde der nicht einsatzbereite Flugzeugträger in Stettin gesprengt.
Auch in der Flugzeugproduktion blieben technische Fortschritte weitgehend ungenutzt. Im Oktober 1941 flog der Pilot Heini Dittmar (1911-1960) in der Heeresversuchsanstalt Peenemünde mit dem raketenbetriebenen Abfangjäger Messerschmitt Me 163 "Komet" weltweit erstmals über 1.000 Kilometer pro Stunde. Eine erfolgreiche Flak-Abwehr wäre bei dieser Geschwindigkeit nahezu unmöglich gewesen. Allerdings waren besonders die Triebwerke des von Alexander Lippisch (1894-1976) konstruierten Flugzeugs sehr störanfällig, so daß bereits bei der Pilotenausbildung zahlreiche Unfälle passierten. Messerschmitt baute lediglich 350 Maschinen, von denen nur eine geringe Anzahl eingesetzt wurde. Das Raketenflugzeug der Firma Heinkel, der "Volksjäger" He 162, wurde erst 1944 geplant und versuchsweise gebaut. Aus Mangel an Piloten sollten Angehörige der Hitler-Jugend (HJ) sie zum Masseneinsatz gegen alliierte Bomberverbände fliegen. Die knapp 200 konstruierten Maschinen kamen aber ebenfalls nicht mehr an die Front. Infolge des Befehls von Adolf Hitler, den bereits 1942 einsatzfähigen Strahl- oder Düsenjäger Messerschmitt Me 262 "Schwalbe" als Schnellbomber aufzurüsten, um nach der verlorenen Luftschlacht um England einen Vergeltungsschlag führen zu können, verzögerte sich auch dessen Serienbau. Insgesamt wurden etwa 1.300 Maschinen der Luftwaffe übergeben, die allerdings aufgrund drastischen Treibstoffmangels nur noch vereinzelt zum Einsatz kamen.
Um auch stark befestigte Ziele angreifen und zerstören zu können, entwickelten deutsche Ingenieure - angeregt von japanischen Kamikaze-Fliegern - die Mistelflugzeuge, auch "Vater und Sohn" genannt. Dabei wurde im Huckepackprinzip eine Focke-Wulf FW 190 oder Messerschmitt Me 190 auf eine Junkers Ju 88 montiert, die statt der Pilotenkanzel mit einer Sprenghohlladung von 3,8 Tonnen Gewicht ausgestattet war. Beim Angriff entsicherte der Pilot das Sprengflugzeug und lotste es per Funk-Fernlenkung direkt ins Ziel. Erst im Juli 1943 wurde der Bau solcher Mistelflugzeuge freigegeben, insgesamt wurden annähernd 200 Maschinen hergestellt. Die wenigen Flugzeuge, die noch zum Einsatz kamen, flogen hauptsächlich gegen alliierte Stellungen nach der Landung in der Normandie und zerstörten Brücken über den Rhein sowie über die Oder.
Neben der Lufthoheit erlangten die Alliierten ab 1943 auch im atlantischen Seekrieg die militärische Überlegenheit. Ein wesentlicher Grund für die Unterlegenheit der deutschen Unterseeboote bestand im technisch-wissenschaftlichen Vorsprung der Alliierten vor allem in der Radar- und Sonartechnik. Bereits 1939 hatte Großbritannien an seiner Ost- und Südküste ein flächendeckendes Radarsystem installiert, das Flugzeuge bis auf 160 Kilometer Entfernung orten konnte, während die deutschen U-Boote erst 1943 mit Radaranlagen ausgestattet wurden. Um die neue Horizontallotung ASDIC alliierter Kriegsschiffe zu umgehen, experimentierten deutsche Ingenieure neben verschiedensten Tarnvorrichtungen auch mit dem Ausstoßen von Tarnkörpern, sogenannten Bolden, die in 30 Metern Tiefe eine Wasserstoffgaswolke erzeugten und damit Horizontallotungen fehlleiten sollten. Alle deutschen U-Boote waren seit 1942 neben solchen Bolden auch mit Störsendern und aktiven Geräuscherzeugern als Gegenmaßnahmen des passiven Horchens ausgestattet.
Die Weiterentwicklung der U-Boote zielte aufgrund der besseren Ortungsmöglichkeiten der Alliierten auch auf die Ermöglichung längerer Unterwasserfahrten. Statt des bisherigen Elektromotorantriebs bei Tauchfahrt, der wegen der Batterieladekapazitäten nur eine begrenzte Zeit und mit geringer Geschwindigkeit durchführbar war, testete die Kriegsmarine im Frühjahr 1944 erste Fahrten mit einem Schnorchel. Damit konnten die Dieselmotoren auch unter Wasser den notwendigen Sauerstoff erhalten. Bei den Tests zeigten sich die Versuchsboote allerdings als zu störanfällig und gingen verloren, die Schnorcheltechnik kam nicht mehr zum Einsatz. Als Alternative fanden bereits seit 1940 Versuche mit dem von Hellmuth Walter (1900-1980) entwickelten Walter-Antrieb statt, welcher bei der Verbrennung von Treibstoff den benötigten Sauerstoff aus der Zersetzung von Wasserstoffperoxyd erhielt. Obwohl das Versuchsboot V 80 die Geschwindigkeit von 28 Knoten erreichte, wurden nur wenige solcher U-Boote gebaut und an die Kriegsmarine ausgeliefert. Der Walter-Antrieb wurde ebenso als Motor für Torpedos zur Verlängerung der Laufwege getestet, diese Torpedos kamen aber über erste Versuche nicht hinaus. Anders verhielt es sich mit der Entwicklung automatischer Zielsuchgeräte für Torpedos. Ab 1943 verfügten die Unterwassergeschosse über einen akustisch arbeitenden Zielsuchkopf, der sich am Schraubengeräusch des Zielobjektes orientierte. Obwohl die Torpedos zugleich mit einem geeigneten Steuer- und Lenksystem, Kreiselkompass, Tauchtiefenregler und einem elektrischen Antriebsmotor ausgestattet waren, konnten sie die Überlegenheit der alliierten Seestreitkräfte nicht mehr wettmachen und die erhoffte Wende im U-Boot-Krieg herbeiführen.
Neben kontinuierlichen Neuerungen in Luftfahrt- und Marinetechnik wurden auch die Waffen für Artillerie und Infanterie weiterentwickelt. Ab 1944 produzierte die Rüstungsindustrie die Maschinenpistole (MP) 44, später in Sturmgewehr 44 umgenannt. Mit einem 7,92 mm Kaliber und 5,4 Kilogramm Gewicht war die MP 44 leichter, kürzer und damit handlicher als bisherige halbautomatische Handfeuerwaffen. Auf die MP 44 konnten alle damals bekannten Zusatzgeräte montiert werden: Bajonett, Schalldämpfer, Gewehrgranatengerät, Zielfernrohr und Infrarot-Nachtzielgerät. Für den Häuserkampf probierten deutsche Waffentechniker auch den sogenannten Krummerlauf: Mit einem solchen Aufsatz sollte der Soldat um die Ecke schießen können, doch durch die starke Krümmung des Laufs lag der Rohrverschleiß weit über dem eines herkömmlichen Laufs. Das zu Beginn des Zweiten Weltkriegs zur Standardausrüstung der deutschen Infanterie gehörende Maschinengewehr (MG) 34 wurde ab 1942 nach und nach durch das MG 42 ersetzt, welches mit einer Feuergeschwindigkeit von 1.500 Schuss pro Minute fast doppelt so viel Geschosse als das Vorgängermodell abgeben konnte.
Um die gefürchteten "Materialschlachten" und Stellungskämpfe des Ersten Weltkriegs zu vermeiden, veranlasste die Wehrmachtsführung die Entwicklung immer größerer Artilleriegeschütze mit höherer Reichweite und stärkerer Durchschlagskraft. Das schwerste Geschütz der Wehrmacht war die 80-cm-Kanone "Dora" mit einem Gesamtgewicht von 1.345 Tonnen, einer Rohrlänge von 28,9 Metern und einer Schussweite bis zu 50 Kilometern. Allein für den Transport des zerlegten Eisenbahngeschützes, des Personals sowie der speziellen Gleisanlagen waren fünf Züge mit insgesamt 99 Waggons notwendig. Dazu kamen drei bis vier weitere Bauzüge, die auch zwei 110 Tonnen schwere Aufbaukräne mitführten. Insgesamt wurden zur Vorbereitung und zum Betrieb der "Dora" über 4.500 Mann benötigt. Das Geschütz wurde 1940 fertiggestellt, aber aufgrund seiner Unhandlichkeit und mangelnden flexiblen Einsatzfähigkeit nur bei der Eroberung von Sewastopol im Juni 1942 verwendet. Dabei gab es lediglich 48 Schuss ab.
Bedeutend effektiver erwies sich der Panzer VI Tiger. Seine Stärken waren die zwischen acht und elf Zentimeter dicke Eisenpanzerung und die durchschlagsstarke 8,8cm Kanone. Bis zu 700 PS bewegten den 3,70 Meter breiten, 6 Meter langen und 57 Tonnen schweren Kollos über die Schlachtfelder. Seinen ersten Einsatz hatte der Tiger bei der Belagerung von Leningrad im August 1942, wo allerdings noch drei von vier Testpanzern im Gelände stehen blieben. Vor allem an der Westfront war der Tiger 1944 eine gefürchtete Waffe: General Bernard L. Montgomery verbot solche Meldungen, welche einzig dem Tiger deutsche Schlachterfolge zuschrieben, um die Moral seiner Truppen nicht zu gefährden. Dennoch konnte der Panzer den alliierten Vormarsch in Frankreich und die deutsche Kriegsniederlage nicht aufhalten.
In seinem Aufruf zum "Totalen Krieg" forderte Reichspropagandaminister Joseph Goebbels im Februar 1943 die totale Mobilisierung sämtlicher personeller und materieller Ressourcen im Deutschen Reich und in den besetzten Gebieten für den angestrebten "Endsieg". Um in den letzten Kriegsmonaten doch noch die entscheidende Wende herbei zu führen, sollten auch Wissenschaft und Forschung gänzlich auf militärische Nutzung ausgerichtet werden. Die Kernphysiker um Werner Heisenberg arbeiteten vergeblich daran, als Vorstufe zum Bau der Atom-Bombe eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion in Gang zu bringen. Hitler, der sich selbst in keiner Weise für die Atomwaffenforschung interessierte, hoffte stattdessen bis zuletzt auf die Wende durch die deutsche Raketentechnik. Doch auch die als "Wunderwaffen" von der NS-Propaganda präsentierten V-Raketen konnten die militärische Niederlage nicht abwenden. Im Bemühen, das wissenschaftliche Potential Deutschlands möglichst vollständig für Kriegszwecke zu nutzen, erhielten kurz vor Kriegsende selbst inhaftierte Wissenschaftler Forschungsaufträge vom Heereswaffenamt oder der SS. So überlebte beispielsweise Robert Havemann die NS-Diktatur und den Zweiten Weltkrieg.