Весной 1940 года Дениц выступил против проведения Норвежской операции. Он считал, что отвлекать крупные силы подводного флота для решения этой частной задачи нецелесообразно. Однако его попытка убедить Гитлера в том, что все усилия подводного флота необходимо сосредоточить на основных морских коммуникациях противника, пролегающих через Атлантику, к желаемому результату не привела. Для участия в Норвежской операции 1940 года фюрер приказал Деницу выделить 42 подводные лодки. Затем еще 30 подводных лодок, несмотря на возражения Деница, по приказу Гитлера были направлены в Средиземное море. Все это, естественно, привело к резкому ослаблению активности германского подводного флота на просторах Атлантического океана.

После разгрома Франции Дениц был награжден Рыцарским крестом, а также в числе многих других военачальником Третьего рейха повышен в воинском звании, стал вице-адмиралом (июль 1940 года). Захват немецко-фашистскими войсками французских портов позволил Деницу передислоцировать в них часть своих подводных лодок и существенно повысить эффективность их действий. За 7 последующих месяцев германские подводники уничтожили около 350 судов противника водоизмещением свыше 1,7 млн. т. К концу 1940 года Деницу удалось довести количество ежемесячно вводимых в строй подводных лодок до 6. В последующие годы их производство возросло в несколько раз. В 1941 году возглавляемый Деницем германский флот добился новых крупных успехов, а сам он получил чин адмирала. К этому времени положение Великобритании стало критическим: ее потери в кораблях превысили количество вступающих в строй новых кораблей, включая и поступавшие из США.

После вступления в войну США Дениц отдал своим подводникам приказ топить американские корабли (15 января 1942 года). Теперь зона их действий расширилась до берегов Америки. Только за январь 1942 года они потопили свыше 300 судов противника общим водоизмещением около 330 тыс. т. В марте 1942 года Дениц стал генерал-адмиралом. Всего в 1942 году немецкие подводные лодки уничтожили 1160 боевых кораблей и транспортных судов противника, общее водоизмещение которых составляло свыше 6,2 млн т. «Битва за Атлантику» была уже почти выиграна. В январе 1943 года уходит в отставку Редер. На свое место он предложил Гитлеру две кандидатуры генерал-адмирала Р. Карльса и Деница. Выбор фюрера пал на последнего. Немаловажную роль в этом сыграли министр вооружений и боеприпасов А. Шпеер и военно-морской адъютант Гитлера Ф. Путткамер. 30 января 1943 года Дениц был назначен главнокомандующим ВМС (кригсмарине) и одновременно с этим произведен в гросс-адмиралы. Это было высшее воинское звание в германском военно-морском флоте, соответствовавшее чину генерал-фельдмаршала в сухопутных войсках и ВВС. Первое, что сделал новый главнокомандующий, возглавив кригсмарине, — это провел чистку высшего командного состава ВМФ. Со своих постов были сняты многие ставленники Редера, а также все те, кто мог бы составить в будущем конкуренцию самому Деницу, начиная с Карльса. Германский флот такой экстравагантный шаг Деница, конечно, не усилил, но зато укрепил его собственное положение. Затем Дениц решительно выступил против намерения Гитлера ликвидировать весь германский надводный флот, отправив его на переплавку. Вступив в командование всеми ВМС, Дениц практически сохранил за собой и руководство подводным флотом, которым теперь командовал генерал-адмирал Г. фон Фридебург. В марте 1943 года немецкие подводные лодки добились нового крупного успеха, потопив только за один месяц 120 вражеских судов общим водоизмещением 627 тыс. т, потеряв при этом 11 лодок. Гитлер наградил Деница дубовыми листьями к Рыцарскому кресту.

Но вскоре обстановка на море начала меняться в худшую для Германии сторону. Союзники предприняли активные и довольно эффективные меры по борьбе с немецкими подводными лодками. В частности, была резко усилена охрана морских конвоев, стали широко применяться противолодочные самолеты дальнего действия, радары для обнаружения подводных лодок и т. д. Все это привело к тому, что потери союзников на море существенно сократились, а потери немцев в подводных лодках, наоборот, резко возросли. Так, в мае 1943 года немцы потопили только 56 судов противника (общий тоннаж около 300 тыс. т), но потеряли при этом 41 свою подводную лодку. Дениц был вынужден вывести из западных и центральных районов Атлантики большую часть своих подводных лодок. После этого германский подводный флот уже не мог сколько-нибудь существенно ограничивать грузопотоки союзников через океан.

К лету 1943 года «битва за Атлантику» Деницем была окончательно и бесповоротно проиграна. Его морская доктрина потерпела полный крах. На завершающем этапе «битвы за Атлантику» немцы уже топили судов противника меньше, чем сами теряли подводных лодок (на 60 уничтоженных судов противника пришлось 79 погибших подводных лодок). Неудачей и большими потерями завершилась попытка Деница сорвать высадку союзников в Нормандии (июнь 1944 года). В отчаянии, бросив в сражение все имеющиеся под рукой силы, он потерпел у берегов Франции сокрушительное поражение: погибли 82 подводные лодки, потопив всего 21 корабль союзников (5 кораблей эскорта, 12 транспортных судов и 4 десантных баржи).

Общий итог боевых действий немецких подводных лодок в годы Второй мировой войны (1939—1945) таков: из 820 подводных лодок, участвовавших в боевых действиях, погибли 781, и из общего количества 39 тысяч моряков-подводников — 32 тысячи нашли свою гибель в морской пучине. При этом основные потери немецкого подводного флота пришлись на последние месяцы войны.

19 апреля 1945 года, через 3 дня после того, как советские войска начали наступление на Берлин, Дениц перенес свою штаб-квартиру из столицы на Северо-Запад, в Шлезвиг-Гольштейн. Сам он покинул Берлин спустя сутки (20 апреля в числе немногих гостей присутствовал на дне рождения фюрера, который Гитлер отмечал в последний раз). Перед тем как покончить жизнь самоубийством, Гитлер в своем политическом завещании от 29 апреля 1945 года назначил Деница своим преемником на посту рейхспрезидента и верховного главнокомандующего вооруженными силами. На следующий день после самоубийства Гитлера М. Борман радиограммой сообщил Деницу о его новом назначении (1 мая 1945 года). Полагая, что Гитлер еще жив, гросс-адмирал с нескрываемым восторгом радировал в Берлин: «Мой фюрер! Моя преданность Вам беспредельна. Я сделаю все, что в моих силах, чтобы прийти к Вам на помощь в Берлин. Если, однако, судьба повелевает мне возглавить рейх в качестве назначенного Вами преемника, я пойду этим путем до конца, стремясь быть достойным непревзойденной героической борьбы немецкого народа». Никаких мер для оказания помощи осажденному Берлину он так и не предпринял. Да, впрочем, ему уже ничто не могло помочь. Через день под ударами советских войск столица Третьего рейха пала, похоронив под своими обломками низвергнутый нацистский режим вместе с его фюрером.

Став главой государства, Дениц 2 мая перенес свою резиденцию в Мюрвик (под Фленсбургом), обосновавшись в военно-морском училище. К 5 мая он сформировал новое правительство Германии, которое возглавил граф Л. Шверин фон Крозигк. Главнокомандующим сухопутными войсками Дениц назначил генерал-фельдмаршала Ф. Шернера, главнокомандующим ВВС — генерал-фельдмаршала Р. фон Грейма, главнокомандующим ВМФ — генерал-адмирала Г. фон Фридебурга. Начальником штаба ОКВ стал генерал-полковник А. Йодль. Охрану нового главы государства и сформированного им правительства осуществляли преданные Деницу морские части. В условиях наступившего краха нацистского государства Дениц предпринял отчаянные усилия, чтобы добиться скорейшего заключения мира с западными державами и вывести как можно больше войск и гражданского населения с территорий, которые могли быть заняты Красной Армией. Однако попытка заключения сепаратного мира с западным державами окончилась неудачей — они отказались вести такие переговоры и потребовали безоговорочной капитуляции перед всей антигитлеровской коалицией.