Dopo il 25 Luglio, tornato in libertà, Pertini divenne uno dei principali protagonisti del movimento di liberazione nazionale. Tra coloro che, a Roma, parteciparono alla costituzione del Partito Socialista, egli ne divenne il responsabile dell'organizzazione militare.

Dopo l'8 Settembre e la fuga dei Savoia, Pertini combatté assieme ai militari e ai civili in difesa della capitale a Porta San Paolo. Entrato in clandestinità dopo l'occupazione nazista di parte della penisola, operò fino al 18 ottobre 1943, allorché, assieme a Giuseppe Saragat, venne arrestato dai nazi-fascisti. Tradotto a Regina Coeli venne duramente interrogato e quindi condannato a morte, senza tuttavia aver tradito i compagni. Il 24 gennaio 1944, grazie ad un'azione di partigiani, venne liberato.

Riacquistata libertà di movimento, Pertini entrò dunque nella giunta militare centrale del Comitato di Liberazione Nazionale come rappresentante del PSIUP.

Trasferitosi nel Nord, riorganizzò il partito socialista dell'Alta Italia, divenendone dopo poco segretario e operò alle attività del CLNAI.

Nel Luglio 1944, dopo la liberazione della capitale da parte degli Alleati, rientrò a Roma attraversando le linee. Fu quindi tra coloro che presero parte alla battaglia per la Liberazione di Firenze.

Nell'Ottobre 1944 tornò nuovamente al Nord. Giunto in Francia in aereo, attraversò il Monte Bianco e rientrò in Italia riassumendo le funzioni di comando nel PSIUP e nel CLNAI. Nell'aprile del 1945 fu con Leo Valiani e Luigi Longo tra gli organizzatori dell'insurrezione di Milano. In questi mesi conobbe una staffetta partigiana, Carla Voltolina, che sarebbe divenuta sua moglie.