Après la défaite française, Hitler espère obtenir une paix négociée avec le Royaume-Uni. Winston Churchill, devenu Premier ministre le 10 mai 1940, refuse toute négociation qui placerait le pays sous domination allemande. Pour rendre possible une invasion, l’Allemagne doit obtenir la supériorité aérienne au-dessus de la Manche et du sud de l’Angleterre. La Luftwaffe de Hermann Göring affronte donc la Royal Air Force à partir de l’été 1940. La bataille d’Angleterre est la première grande campagne menée principalement dans les airs et elle met en jeu la capacité britannique à rester dans la guerre.
La défense britannique repose sur plusieurs avantages. Le Fighter Command, dirigé par Hugh Dowding, dispose d’un réseau intégré de radars, d’observateurs au sol et de centres de commandement permettant d’engager les escadrilles au moment le plus utile. Les chasseurs Hurricane et Spitfire combattent au-dessus du territoire britannique, ce qui facilite le retour de certains pilotes abattus et réduit les distances logistiques. L’industrie aéronautique britannique remplace aussi rapidement les appareils perdus. L’Allemagne possède une aviation puissante, mais ses bombardiers sont vulnérables sans escorte suffisante sur de longues distances.
À partir d’août 1940, les attaques allemandes visent notamment les aérodromes et infrastructures du sud de l’Angleterre. En septembre, Hitler et Göring réorientent une grande partie des bombardements vers Londres et d’autres villes. Ce « Blitz » provoque des pertes civiles importantes et cherche à briser le moral britannique, sans détruire le Fighter Command. Le 15 septembre, une grande attaque allemande subit de lourdes pertes, date ensuite commémorée comme le Battle of Britain Day. L’opération d’invasion Seelöwe est progressivement reportée puis abandonnée.
L’échec allemand a une portée stratégique majeure. Le Royaume-Uni conserve une base militaire, industrielle et politique depuis laquelle la guerre peut se poursuivre. Il reste aussi le point d’appui indispensable au retour futur des forces américaines en Europe occidentale. La bataille démontre les limites de la puissance allemande : la Wehrmacht excelle dans les campagnes terrestres rapides, mais l’Allemagne ne dispose ni de la maîtrise maritime ni d’une supériorité aérienne suffisante pour envahir les îles Britanniques. Pour la première fois depuis 1939, Hitler échoue à imposer son objectif principal à un adversaire.