在争取苏联物资援助的同时，中国还再三提出了希望苏联出兵参战的要求。尽管争取苏联全面军事介入的努力未获成功，但中国还是获得了苏联局部、暗中的军事支持。苏联空军志愿队的来华作战，给日本空军造成了很大损失，有力地支援了中国地面部队的抗战。日本曾就此事向苏方提出抗议，但为苏联政府所拒绝。苏方声称，来华志愿人员是以个人身份行事，苏联政府不便干涉其活动。整个抗战期间，苏联先后共派遣了2000名空军志愿队员来华作战。他们为中国的抗日事业作出了重大贡献，有200多名官兵为之献出了生命。
在承担作战任务的同时，苏联还在中国开办了空军训练基地和航空学校，对中国飞行技术人员进行强化训练。到1939年底，苏联已帮助中国空军训练出飞行员1045人、领航员81人、无线电发报员198人、航空技术人员8354人。此外，自1938年始，苏联军事顾问大批来华，在中国建立了比较完整的军事顾问体系。在中央军事机关、战区司令长官部和各军兵种，都建立了苏联军事顾问组。他们对中国军队的战术训练、掌握现代化武器甚至在制订某些战略计划方面都作出了有益的贡献。
欧洲战争爆发后，苏联远东政策有所调整，为避免将来处于两线作战的境地，苏联考虑缓和与日本的关系。经过长时间的接触，1941年4月13日，苏日在莫斯科正式签订《苏日中立条约》。在作为条约附件而同时签署的宣言中，双方声明：“苏联保证尊重满洲国的领土完整和不可侵犯，日本保证尊重蒙古人民共和国的领土完整和不可侵犯。”苏日条约暂时缓和了苏日矛盾，但中国的领土和主权成了双方妥协和交易的筹码。无论是苏联承认日本以武力夺取的东北，还是日本承认被苏联实际控制的外蒙，都严重侵犯了中国的主权。
4月14日，国民政府外交部发表声明：“查东北四省及外蒙之为中华民国之一部，而为中华民国之领土，无待赘言。中国政府与人民对于第三国间所为妨害中国领土与行政完整之任何协定，决不能承认，并郑重声明：苏日两国公布之共同宣言，对于中国绝对无效。”考虑到仍要继续争取苏联的援助，国民政府并不想因此事而使中苏关系大大恶化，因此，国民政府对苏日条约的反应总体上来说是谨慎和克制的。
