अगस्त 1914 में जब प्रथम विश्व युद्ध हुआ, रोमानिया ने तटस्थता की घोषणा कर दी. दो साल बाद, सहयोगियों (खासकर फ्रांस, जो एक नया मोर्चा खोलने के लिए बेताब था) के दबाव में, 14/27 1916 अगस्त को, रोमानिया सहयोगी दल में शामिल हो गया और ऑस्ट्रिया-हंगरी पर युद्ध की घोषणा कर दी. इस कार्रवाई के लिए, गुप्त सैनिक सम्मेलन की शर्तों के तहत, रोमानिया को सभी रोमानियाई लोगों के लिए अपनी राष्ट्रीय एकता के लक्ष्य के लिए समर्थन का वादा किया गया। 

रोमानियाई सैन्य अभियान का अंत रोमानियाके लिए एक विनाश के रूप में हुआ, क्योंकि केन्द्रीय शक्तियों ने देश के दो तिहाई हिस्से पर विजय प्राप्त कर ली या चार माह के भीतर इसकी सेना के अधिकांश भाग को मार डाला. फिर भी, 1917 में आक्रमणकारी बालों के रुक जाने के बाद मोल्दाविया रोमानिया के हाथों में ही रहा. युद्ध के अंत तक, ऑस्ट्रिया-हंगरी और रूसी साम्राज्य गिर कर विघटित हो गया; 1918 में बेसर्बिया, बुकोविना और ट्रांसिल्वेनिया ने रोमानिया के साम्राज्य के साथ मिल जाने की घोषणा की. 1914 से 1918 तक समकालीन सीमाओं के भीतर, सैनिकों और नागरिकों, की होने वाली कुल मौतों की संख्या, अनुमानतः 748,000 थी। 1920 तक ट्राईनोन की संधि में, हंगरी ने रोमानिया के पक्ष में ट्रांसिल्वेनिया पर ऑस्ट्रो-हंगरी राजतन्त्र के सभी दावों को छोड़ दिया. बुकोविना के साथ रोमानिया के विलेय की पुष्टि 1919 में सेन्ट जर्मन की संधि में हुई, और बेसर्बिया के साथ 1920 में पेरिस की संधि में हुई. 

रोमानियाई अभिव्यक्ति România Mare (रोमानिया मेयर) (शाब्दिक अनुवाद "महान रोमानिया", लेकिन अधिक सामान्यतया "ग्रेटर रोमानिया") का सन्दर्भ सामान्यतः युद्ध के दौरान की अवधि में और विस्तार से, रोमानियाई राज्य से है, वह रोमानिया प्रान्त जो उस समय पर कवर हो रहा है (नक्शा देखें). रोमानिया ने उस समय अपनी अधिकतम क्षेत्रीय सीमा प्राप्त की (लगभग ), इसने सम्पूर्ण रोमानियन भूमि को विलेय कर लिया। 
द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, रोमानिया ने फिर से तटस्थ रहने की कोशिश की, लेकिन 28 जून 1940 को इसे एक सोवियत चेतावनी दी गयी की गैर-अनुपालन की स्थिति में उस पर हमला किया जा सकता है। मास्को और बर्लिन के दबाव के चलते, रोमानियाई प्रशासन और सेना को युद्ध से बचने के लिए बेसर्बिया और उत्तरी बुकोविना से पीछे हटना पडॉ॰ इसने, अन्य कारकों के साथ संयोजन में, सरकार को अक्षीय शक्तियों में शामिल होने के लिए प्रेरित किया। इसके बाद, दक्षिणी दोब्रुजा को बुल्गारिया को दे दिया गया, जबकि अक्षीय मध्यस्थता के परिणामस्वरूप हंगरी को उत्तरी ट्रांसिल्वेनिया प्राप्त हुआ। सत्तावादी राजा कैरोल II को 1940 में राष्ट्रीय लीजन राज्य के द्वारा हटा दिया गया, इस दौरान शक्तियां संयुक्त रूप से इओन एंटोनेस्क्यु (Ion Antonescu) और आयरन गार्ड (Iron Guard) के पास थीं। महीने के भीतर, एंटोनेस्क्यु (Antonescu) ने आयरन गार्ड को कुचल डाला और अगले वर्ष में रोमानिया अक्षीय शक्तियों की तरफ से युद्ध में शामिल हो गया। युद्ध के दौरान रोमानिया नाजी जर्मनी के लिए तेल का सबसे महत्वपूर्ण स्रोत था, जिसने सहयोगी दल द्वारा कई बम हमलों को आकर्षित किया। सोवियत संघ के अक्षीय आक्रमण के माध्यम से, रोमानिया ने जनरल आयन एन्टोंनेस्क्यु के नेतृत्व में सोवियत रूस से बेसर्बिया और उत्तरी बुकोविना को वापस ले लिया। एन्टोंनेस्क्यु शासन ने विध्वंस में एक प्रमुख भूमिका निभायी, जिसके बाद रोमन और यहूदियों के नरसंहार और उत्पीडन की नाजी निति की सीमा कुछ कम हो गयी और प्राथमिक रूप से पूर्वी प्रदेशों में रोमानिया ने सोवियत संघ (ट्रांसनिस्ट्रिया) से माल्दोविया में कब्जा वापस ले लिया। 

अगस्त 1944 में, एन्टोंनेस्क्यू को रोमानिया के राजा माइकल I के द्वारा गिरफ्तार कर लिया गया। रोमानिया ने पक्ष बदल दिया और सहयोगी दल में शामिल हो गया, लेकिन नाजी जर्मनी की हार में इसकी भूमिका को 1947 में पेरिस शांति सम्मलेन के द्वारा मान्यता प्राप्त नहीं हुई. युद्ध के अंत तक, रोमानियाई सेना को 300,000 हताहतों का सामना करना पड़ा था। यहूदी नरसंहार के पीड़ितों की संख्या 1939 की सीमाओं के भीतर 469,000 थी, जिसमें बेसर्बिया और बुकोविना के 325,000 पीड़ित भी शामिल थे।

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