À l'entrée en guerre de l'Italie (mai 1915), le P.S.I. affirme son opposition au conflit ; il conservera cette position jusqu'à la fin des hostilités et participera aux conférences de Kienthal et de Zimmerwald. Quelques défections se produisent, comme celle de Mussolini. L'opposition populaire à la guerre, les difficultés de ravitaillement trouvent dans le P.S.I. un porte-parole privilégié. Le directeur de l'Avanti !, Giacinto Serrati (1876-1926), est condamné à 6 ans de prison. Tous les socialistes réprouvent publiquement toute continuation de la guerre, ce qui vaut au secrétaire général, Costantino Lazzari, une condamnation à 3 ans de prison en janvier 1918. Cependant, après Caporetto (octobre 1917), la plupart des députés socialistes se rallient à la défense nationale.
C'est un parti divisé qui décide d'adhérer à l'Internationale communiste (congrès de Bologne en octobre 1919). Au lendemain de la guerre, la crise économique et l'influence de la révolution russe provoquent des mouvements sociaux sans précédent : occupation de terres dans le Sud, le Latium, la vallée du Pô, grèves ouvrières à Milan, à Turin et dans les grandes villes du Nord. Le P.S.I. continue à radicaliser ces actions par ses prises de position (le congrès de Bologne appelle à la formation de « conseils d'ouvriers et de soldats » et à la révolution prolétarienne). Porté par la vague populaire, le P.S.I. devient lors des élections de 16 novembre 1919 le premier parti d'Italie avec 32 % des voix et 156 élus sur 508 sièges. Toutefois, le P.S.I. ne prend pas de mesures pratiques pour orienter le mouvement : la tendance majoritaire, groupée autour de Giacinto Serrati, secrétaire général depuis 1919, s'oppose à deux tendances d'extrême gauche, celle de l'Ordine nuovo de Turin, avec Antonio Gramsci, Angelo Tasca (1892-1960), U. Terrecini, Palmiro Togliatti, et celle du Soviet de Naples, avec Amadeo Bordiga. Le reflux des mouvements sociaux en 1920, la montée du fascisme accroissent les difficultés du P.S.I. Au congrès de Livourne (15-21 janvier 1921), les minoritaires font scission et créent le parti communiste italien. Face à l'agitation fasciste qui se développe alors, le P.S.I. est hésitant. En octobre 1922, tandis que Mussolini accède au pouvoir, la tendance de la droite réformiste de Filippo Turati et de Claudio Trèves est exclue et va constituer le parti socialiste unitaire. Le reclassement s'achève en 1923 par le départ de Giacinto Serrati, qui, avec ses amis, les terzinternazionalisti, entre au parti communiste. Très affaibli, le P.S.I. n'obtient que 22 élus aux élections d'avril 1924 contre 24 au parti socialiste unitaire (P.S.U.), dont un dirigeant, Giacomo Matteotti, est assassiné le 10 juin 1924. Tandis que le P.S.U. est interdit dès novembre 1924, le P.S.I. est dissous en novembre 1926.
Les principaux responsables socialistes prennent alors le chemin de l'exil. Jusqu'à la Seconde Guerre mondiale, leur action clandestine sur le sol italien est faible. C'est à l'étranger, notamment en France, que s'organisent les deux partis : le P.S.I., dirigé par Pietro Nenni, et le parti socialiste unitaire, devenu en 1925 parti socialiste des travailleurs italiens, dirigé par Giacomo Saragat. Les deux partis fusionnent en avril 1930, Pietro Nenni assurant le secrétariat général du nouveau P.S.I. jusqu'en 1939, date à laquelle Giacomo Saragat le remplace. Durant cette période, le P.S.I. se rapproche du mouvement antifasciste Justice et Liberté (1931-1932), puis signe en août 1934, avec le parti communiste, un pacte d'unité d'action, renouvelé en 1937. Durant la guerre d'Espagne, des socialistes comme Pietro Nenni entrent dans les Brigades internationales. La plupart des cadres du parti se trouvent en France en 1939. Dès décembre 1942, ils entrent, aux côtés des communistes, dans le Front national d'action et, en août 1943, après la libération du sud de l'Italie, Pietro Nenni prend la tête du parti, reconstitué sous le nom de parti socialiste italien en 1947. Cette même année, l'aile droite réformiste, avec Giacomo Saragat, fait scission et fonde le parti social-démocrate italien. Cette tendance reproche à la majorité dirigée par R. Morandi, secrétaire général de 1947 à 1953, et à Pietro Nenni l'organisation centralisatrice du parti et ses liens étroits avec les communistes.
Après avoir pratiqué de la Libération à 1955 une politique d'alliance privilégiée avec les communistes, le P.S.I. s'oriente, entre 1955 et 1958, vers le rapprochement avec la Démocratie chrétienne. La scission de 1947 l'ayant affaibli, il ne représente, aux diverses élections générales, que 12,7 % en 1953, 14,2 % en 1958 et 13,8 % en 1963. Lorsque, en décembre 1963, Pietro Nenni devient vice-président du Conseil dans le cabinet Aldo Moro, l'aile gauche du parti, avec L. Basso, V. Foa et T. Vecchietti, fait scission et crée le parti socialiste d'unité prolétarienne (P.S.I.U.P.), faible électoralement (4,5 % en 1968, 1,9 % en 1972 et 1,4 % en 1979) mais bien implanté parmi les cadres syndicaux. Cette scission facilite le rapprochement entre le P.S.I. et le P.S.D.I., qui fusionnent en 1966 dans un parti socialiste unifié. Mais, en 1968, ce nouveau parti ne recueille que 14,5 % des suffrages exprimés. Un an plus tard, les deux tendances se séparent. Un reclassement s'opère au sein du P.S.I. : Pietro Nenni se situe désormais à l'aile droite, la tendance de Lombardi étant plus proche du P.S.I.U.P. et du parti communiste.
À la suite des grèves ouvrières de 1969, et du raidissement de la Démocratie chrétienne, le P.S.I. affirme sa solidarité avec les revendications et, en 1971, il quitte le gouvernement. Son électorat demeure stable pendant une dizaine d'années (9,6 % des suffrages exprimés en 1972 et en 1976, 9,8 % en 1979) durant lesquelles il apporte son soutien à l'ouverture à gauche de Aldo Moro. Son secrétaire général est De Martino, auquel Bettino Craxi succède en 1976. Le socialiste Alessandro Pertini est président de la République de 1978 à 1985. Bettino Craxi est président du Conseil de 1983 à 1987.
Aux élections de 1992, tandis que les grands partis traditionnels reculent fortement, le P.S.I. stagne (13,6 % des voix). Mais, laminé lors des élections de mars 1994 (aucun élu à la Chambre des députés), il proclame en novembre son autodissolution et sa transformation en un nouveau parti (Socialistes italiens). Ces derniers sont un des éléments, mineur, de la coalition de gauche-centre gauche, L'Olivier, qui remporte les élections de 1996.