Trong Chiến tranh thế giới thứ hai, Turing là một người tham gia đóng góp quan trọng tại Bletchley Park, trong việc phá mật mã của Đức. Ông đóng góp những hiểu biết sâu sắc về việc giải mã cả hai máy Enigma và máy Lorenz SZ 40/42 (một máy điện báo đánh chữ dùng làm bộ mã hoá ghép thêm, được quân đội Anh đặt tên là "Tunny"), và ông đã từng một thời là trưởng phòng Hut 8, bộ phận chịu trách nhiệm thu và đọc tín hiệu của hải quân Đức.

Từ tháng 9 năm 1938, Turing làm thêm giờ tại Trường mật mã của chính phủ (Government Code and Cypher School). Turing có mặt và báo cáo tại Bletchley Park vào ngày 4 tháng 9 năm 1939, ngay sau ngày Anh tuyên bố chiến tranh với Đức[13].

Máy bombe của Turing và Welchman

Chỉ trong vài tuần sau khi đến Bletchley Park[13], Turing đã sáng chế ra một cái máy cơ-điện tử (electromechanical machine) giúp vào việc giải mã máy Enigma, đặt tên là máy bombe, lấy tên theo cái máy "bomba" được sáng chế tại Ba Lan. Máy bombe, với một nâng cấp được đề bạt bởi nhà toán học Gordon Welchman, trở thành dụng cụ chủ yếu dùng để đọc nguồn tin truyền qua lại từ máy Enigma.

Máy bombe dò tìm công thức cài đặt của khối quay trong máy Enigma, và nó cần phải có một bộ mã (crib), tức là một dòng chữ chưa mã hóa và một dòng mật mã tương ứng. Với mỗi dự kiến cài đặt của khối quay, máy bombe hoàn thiện một chuỗi các tiến trình suy luận lôgic, dựa vào bộ mã, dùng các cấu kết mạch điện tử đã được lắp ráp. Máy bombe lùng tìm và phát hiện mâu thuẫn khi nó xảy ra, loại bỏ công thức cài đặt gây nên sự mâu thuẫn ấy, rồi tiếp tục lùng tìm một công thức khác, hợp lý hơn. Đa số các công thức cài đặt khả quan đều gây nên sự mâu thuẫn, và bị loại bỏ, chỉ để lại một số ít các công thức khả dĩ để được nghiên cứu chi tiết hơn. Máy bombe của Turing lần đầu tiên được lắp ráp vào ngày 18 tháng 3 năm 1940[cần dẫn nguồn]. Máy giải mã điện cơ Turing Bomb dựa trên phương pháp nối các máy giải mã lại với nhau thành một hệ thống để tìm ra công thức cài đặt của Enigma. Turing Bomb có thể đọc được 159.000 tỉ ký tự phức tạp. Nhờ nó, mỗi ngày, người Anh giải mã thành công khoảng 3.000 bức điện mật của quân đội Đức chỉ trong vài phút sau khi các dữ liệu chặn thu được nạp vào.[14] Từ thời điểm đó, tất cả các tin nhắn có thể được đọc trong thời gian thực. Có tới 210 bombe Anh được xây dựng trong thời gian chiến tranh và tất cả đã bị phá hủy vào những ngày cuối của cuộc chiến[15]

Hut 8 và máy Enigma của hải quân Đức

Vào tháng 12 năm 1940, Turing khám phá ra hệ thống chỉ thị của máy Enigma của hải quân Đức, một hệ thống chỉ thị phức tạp hơn tất cả các hệ thống chỉ thị khác đang được dùng bởi các chi nhánh trong quân đội. Turing cũng sáng chế ra công thức xác suất Bayes (Bayesian), một kỹ thuật trong thống kê được đặt tên là "Banburismus", để giúp vào việc giải mã Enigma của hải quân Đức. Banburismus cho phép loại bỏ một số công thức cài đặt của khối quay của máy Enigma, giảm lượng thời gian kiểm nghiệm các công thức cài đặt cần thiết trên các máy bombe.

Vào mùa xuân năm 1941, Turing đính hôn với một nhân viên cùng làm việc tại Hut 8, tên là Joan Clarke, nhưng chỉ đến mùa hè, cả hai đã thoả thuận hủy bỏ cuộc hôn nhân.

Tháng 7 năm 1942, Turing sáng chế ra một kỹ xảo, đặt tên là Turingismus hoặc Turingery, dùng vào việc chống lại máy mật mã Lorenz. Rất nhiều người lầm tưởng rằng Turing là một nhân vật quan trọng trong việc thiết kế máy tính Colossus, song điều này không phải là một sự thật [16].

Tháng 11 năm 1942, Turing du lịch sang Mỹ và bắt liên lạc với những nhân viên phân tích mật mã của hải quân Mỹ tại Washington, D.C., thông báo cho họ biết về máy Enigma của hải quân Đức, cùng với sự việc lắp ráp máy bombe. Ông đồng thời trợ lý việc kiến tạo các công cụ truyền ngôn bảo mật (secure speech) tại Bell Labs. Tháng 3 năm 1948, ông quay trở lại Bletchley Park. Trong khi ông vắng mặt, Hugh Alexander thay thế ông làm trưởng phòng Hut 8, tuy trên thực tế Hugh Alexander đã nắm quyền trưởng phòng trong một thời gian khá lâu. Turing rất ít quan tâm đến việc quản lý công việc hằng ngày của bộ phận. Turing trở thành cố vấn chung về phân tích mật mã tại Bletchley Park.

Trong những ngày sau rốt của chiến tranh, ông tự trau dồi về công nghệ điện tử, trong khi chịu trách nhiệm (được sự hỗ trợ của kỹ sư Donald Bayley) thiết kế một cái máy di động - mật hiệu là Delilah - cho phép thông tin truyền âm bảo mật (secure voice). Với xu hướng ứng dụng trong các công dụng khác, máy Delilah thiếu khả năng truyền sóng radio trường tuyến (long-distance radio transmission), và không được sử dụng trong chiến tranh vì sự hoàn thành của nó quá muộn. Tuy Turing đã thao diễn chức năng của máy cho các quan chức cấp trên, bằng cách mật mã hóa và giải mã một bản ghi âm lời nói của Winston Churchill, máy Delilah vẫn không được chọn và sử dụng.

Trong năm 1945, Turing đã được tặng huy chương OBE (Order of the British Empire) vì thành tích phục vụ trong cuộc chiến tranh.