Commandant en chef les forces navales françaises en 1939-1940, dans un premier temps, il refusa de cesser le combat comme demandé par Pétain. Grâce à cela, trois navires purent embarquer 1 100 tonnes d'or de la Banque de France, mises en sécurité au Sénégal. Mais une fois la défaite consommée, il soutint la demande d'armistice. Ministre de la Marine du premier gouvernement du maréchal Pétain puis, en février 1941, chef du gouvernement de Vichy, restant aveugle face aux mesures liberticides et antisémites, il s'impliqua dans la politique de collaboration du régime avec l'Allemagne Nazie. Au début de 1942, se ralliant à une politique résistance diplomatique, il opposa une série de refus aux Allemands qui exigèrent son départ et son remplacement par Laval. Dès le retour de ce dernier au gouvernement (18 avril 1942), Darlan démissionna de ses fonctions gouvernementales, mais resta commandant en chef des armées de terre, de mer et de l'air.
Présent à Alger lors du débarquement anglo-américain en Afrique du Nord le 8 novembre 1942, après avoir capitulé et s'être rendu aux Alliés, il se retrouva le seul interlocuteur possible pour les américains. Il ordonna aux forces françaises de se battre contre les troupes de l'Axe, se proclama haut-commissaire dépositaire de la souveraineté française en Afrique du Nord « au nom du maréchal Pétain empêché ». C'est lui qui, avec le général américain Clark, régla les rapports entre les autorités françaises et américaines en Afrique, par les accords du 22 novembre 1942.
Le 24 décembre, il était assassiné à Alger par un jeune résistant, Bonnier de La Chapelle. L’affaire ne fut jamais vraiment élucidée.
Transporté de sa résidence privée à l’hôpital militaire d’Alger, il y décéda une heure plus tard. D’abord inhumée à Alger dans une casemate face à la mer, le général de Gaulle ne pouvant abandonner une sépulture française dans un bâtiment d'amirauté récupéré par l'Etat algérien, en avril 1964, il fit transférer la dépouille, avec les honneurs, au cimetière militaire de Mers el-Kébir où reposaient les marins tués dans ce port lors des tragiques attaques menées par la Royal Navy en juillet 1940.
Cependant, le règlement stipulant que seul un commandant mort au milieu de ses hommes pouvait être enterré parmi eux, ce qui n’était pas le cas de Darlan, sa tombe fut placée en dehors du carré des 1297 marins tués, ou 1397 selon les sources.