Mezitím se důrazný odpůrce československé kapitulace armádní generál Lev Prchala stal vojenským velitelem Podkarpatské Rusi a 15. března 1939 nařídil vojenskou obranu proti maďarskému útoku, která se udržela tři dny. SSSR byl v této době faktickým spojencem třetí říše a českoslovenští občané na jeho území byli internováni či uvězněni v GULAGu.

Po přepadení Sovětského svazu nacisty v červnu 1941 se situace začala měnit a počátkem roku 1942 se na Urale ve městě Buzuluku mohla začít formovat pod vedením někdejšího legionáře z  první světové války a pozdějšího komunistického prezidenta Ludvíka Svobody první československá jednotka. Kromě dříve internovaných českých a slovenských vojáků se do jejích řad hlásili zajatci z řad armády Slovenského státu, kteří bojovali proti Sovětskému svazu a také mnoho československých Židů. Jednotka, v níž zpočátku převažovali lidé z Podkarpatské Rusi, formálně podléhala české exilové vládě v Londýně, po celou dobu války však byla předmětem sporů, jelikož se jí Komunistická strana Československa a Sovětský svaz snažily využívat pro své politické záměry.

Poté, co se v průběhu roku 1942 1. samostatný československý prapor zformoval a byl vyzbrojen, byl v lednu roku následujícího odeslán na frontu. Počátkem března 1943 se téměř tisícovka mužů a žen ocitla v právě osvobozeném ukrajinském městě Charkově. Prapor byl nato odeslán k obraně linie řeky Mža před německým protiútokem a dne 8. března svedl těžký boj u obce Sokolove, při nichž kvůli kontroverznímu postupu Ludvíka Svobody padlo téměř sto vojáků. Tato bitva byla později široce využívána v  poválečné komunistické propagandě, stejně jako jméno Otakara Jaroše, který zde padl a byl jako první cizinec posmrtně vyznamenán titulem Hrdina Sovětského svazu.

Po stažení do zázemí byla jednotka doplňována o nové členy a přeformovala se na 1. československou samostatnou brigádu, jež měla více než 3,5 tisíce vojáků. Počátkem října 1943 byla jednotka nasazena k bojům o Kyjev, jejž sovětské hlavní velení rozhodlo osvobodit do výročí Velké říjnové socialistické revoluce 7. listopadu. Ve svém rozkaze Ludvík Svoboda vojáky nabádal, aby se za „osvobození Kyjeva a Ukrajiny bili jako za osvobození Prahy a Československa“. Vojáci se 5. listopadu probojovali na okraj Kyjeva a odpoledne dobyli továrnu Bolševik a filmové ateliéry. Pod velením generála Jana Kratochvíla poté pokračovali v bojích proti ustupujícím německým vojákům a 6. listopadu v časných ranních hodinách dosáhli centra Kyjeva se ztrátami 30 mrtvých a 80 zraněných. Na území dnešní Ukrajiny pak českoslovenští vojáci bojovali u Čerchaňova, Vasilkova, Bílé Cerekve, Žaškova a Ostrožan. Po osvobození Volyně, kde žila asi třicetitisícová česká menšina, byla jednotka v březnu 1944 přemístěna do Rovna, doplněna více než 12 tisíci dobrovolníky, z nichž bylo asi 600 žen a rozšířena na 1. československý armádní sbor v SSSR, který se poté účastnil bojů o Dukelský průsmyk a osvobození Slovenska a Moravy. Během druhé světové války na území dnešní Ukrajiny padly asi čtyři stovky československých vojáků. Podrobné informace o místech jejich posledního odpočinku a dalších válečných pomnících je možné nalézt na specializovaných stránkách Ministerstva obrany ČR.

SSSR však považoval Československo spíše za svůj majetek, než spojence. V rozporu s československo-sovětskou smlouvou z prosince 1943 i dohodou z 8. května 1945 o spolupráci Sovětské armády s československou vládou na osvobozeném území neumožnila Moskva ustavení československé správy na Podkarpatské Rusi, tamní obyvatele násilně odváděla do Rudé armády, povolila činnost pouze komunistické straně, z níž v listopadu 1944 učinila faktickou součást sovětské Všesvazové komunistické strany (bolševiků), řadu lidí deportovala na Sibiř a 8. prosince sovětské úřady vyhnaly představitele československé vlády ze země. V červnu 1945 byla oblast odstoupena SSSR, přičemž tisíce jejích obyvatel odešlo do Československa. Název Podkarpatská Rus bylo poté ministerstvem vnitra zakázáno používat.