Когда во время второго сбора греческого флота в Авлиде предводитель ахейцев Агамемнон отказался принести в жертву Артемиде свою дочь Ифигению, без чего корабли не могли отплыть под Трою, Одиссей поддержал тех, кто настаивал на жертвоприношении, и даже стал демонстративно готовиться к отплытию домой. Затем он обманом доставил обреченную на заклание девушку в Авлиду, объявив ее матери Клитеместре, что увозит Ифигению, чтобы выдать замуж за Ахилла.
Как и все прибывшие под Трою греки, Одиссей знал, что, согласно пророчеству, тот, кто первый коснется ногой троянской земли, погибнет. Чтобы увлечь за собой ахейцев, но при этом самому не пострадать, Одиссей бросил на берег свой щит и ловко прыгнул на него с корабля. Увидев, что Одиссей уже на берегу, но не заметив, что он стоит не на земле, а на щите, остальные греки бросились на берег и вступили в схватку с поджидавшими их троянцами. Протесилай, первым спрыгнувший с корабля вслед за Одиссеем, первым и обагрил своей кровью троянскую землю, насмерть пораженный копьем Гектора.
В конце девятого года войны Агамемнон отправил Одиссея на поиски продовольствия во Фракию. Когда тот вернулся с пустыми руками, Паламед, сын Навплия, стал бранить его за лень и трусость. В свое оправдание Одиссей заявил, что на его месте Паламед тоже не добился бы успеха. Восприняв это как вызов, Паламед тут же вышел в море и вскоре вернулся с кораблем, груженным зерном. Одиссей, и ранее ненавидевший Паламеда, решил отомстить. Он сообщил Агамемнону, что боги во сне предупредили его о готовящемся предательстве, из-за чего войску следует на сутки покинуть лагерь. Когда по распоряжению Агамемнона греческий лагерь опустел, Одиссей тайно закопал мешок с золотом в шатре Паламеда. Потом он заставил пленного фригийца написать письмо, якобы от Приама к Паламеду, в котором говорилось, что посланное Приамом золото – это плата, которую Паламед запросил за измену соотечественникам. Одиссей убил пленника вблизи лагеря, и уже на следующий день, когда войско вернулось на прежнее место, обнаруженное на трупе письмо было передано Агамемнону. Преданный суду Паламед с жаром отрицал, что получал золото от Приама или от кого бы то ни было другого. Греки по предложению Одиссея обыскали шатер Паламеда и, обнаружив спрятанное в нем золото, забили Паламеда камнями как предателя. Некоторые, правда, говорят, что Одиссей и Диомед, сделав вид, что нашли клад в глубоком колодце, спустили Паламеда вниз на веревке, а затем забросали его камнями. Другие утверждают, что они утопили его во время рыбной ловли.
Известно о нескольких успешных вылазках Одиссея в троянский лагерь. В первую он со своим другом Диомедом отправился в ночь после того, как Ахилл, обиженный Агамемноном, отказался сражаться; воспользовавшиеся этим троянцы нанесли поражение грекам в дневном сражении и стали лагерем близ греческих кораблей. По дороге Одиссей и Диомед столкнулись с троянским лазутчиком Долоном; силой получив от него нужные сведения, они, несмотря на предложенный им большой выкуп, перерезали ему горло. Затем они отправились в лагерь фракийского царя Реса, только что прибывшего под Трою и намеревавшегося утром присоединиться к троянцам; бесшумно убив Реса и двенадцать его спящих товарищей, Диомед и Одиссей увели принадлежавших ему прекрасных белоснежных лошадей, про которых говорили, что те быстрее ветра. Захват лошадей Реса имел огромное значение, поскольку оракул предсказал, что Троя останется неприступной, если этим лошадям дадут троянского корма и напоят из реки Скамандр, но ни того ни другого люди Реса сделать не успели.
Второй раз Одиссей проник в Трою под видом беглого раба – окровавленный, грязный, одетый в лохмотья (говорят, что для полной убедительности Одиссей попросил Диомеда отстегать его кнутом). В Трое он случайно попался на глаза Елене, которую не обманул его наряд. Одиссей не смог отказаться от приглашения посетить ее дом, где Елена, омыв его, натерев маслом и одев в прекрасные одежды, поклялась не сообщать о нем троянцам, если он поведает ей все свои планы. Во время их беседы неожиданно вошла Гекуба, жена троянского царя Приама. Перепуганный Одиссей бросился к ее стопам, стеная от ужаса и умоляя не выдавать его; совершенно неожиданно она согласилась (судя по всему, Одиссей пообещал Гекубе, что греки пощадят всех, кто не окажет сопротивления). После этого он поспешил назад и благополучно вернулся к своим друзьям с множеством сведений, утверждая при этом, что убил нескольких троянцев, которые якобы отказались открыть ему ворота.
Когда от стрелы Аполлона, принявшего обличье Париса, погиб Ахилл, Аякс Теламонид самоотверженно защищал от троянцев его тело в жаркой схватке, продолжавшейся весь день, а затем, несмотря на град стрел, пронес мертвого героя через гущу врагов в греческий лагерь, а Одиссей прикрывал его отход. Затем Аякс и Одиссей вступили в спор за бесценные доспехи Ахилла, изготовленные самим Гефестом. Доспехи присудили Одиссею; о причинах такого решения говорят разное, однако наиболее убедительной представляется точка зрения, согласно которой Одиссей, куда более красноречивый, чем Аякс Теламонид, легко убедил соотечественников, что его заслуги перед ними несравнимо больше, чем заслуги его соперника. Разобиженный Аякс в порыве безумия попытался ночью перебить своих соратников-греков, но, когда рассудок вернулся к нему, он не смог пережить навлеченного на себя позора.
Ахилл был мертв, и греков стало одолевать отчаяние, когда Калхант предсказал, что Троя не может быть взята без лука и стрел Геракла, с помощью которых она однажды уже была завоевана и которые Геракл перед смертью подарил Пеанту, отцу знаменитого лучника Филоктета. Одиссей и Диомед были посланы на Лемнос, где находился Филоктет, высаженный на остров по пути к Трое из-за нестерпимо зловонной незаживающей раны, возникшей после змеиного укуса. Воспользовавшись забытьем Филоктета во время одного из приступов боли, Одиссей и Диомед похитили у него лук и стрелы, однако убедить Филоктета следовать с ними в Трою им не удавалось, поскольку тот ненавидел Одиссея (именно Одиссей по приказу Агамемнона ранее высадил его, укушенного змеей, на пустынный берег Лемноса, да и обидное для Филоктета решение Агамемнон принял не без участия Одиссея). Но тут вмешался уже ставший богом Геракл и велел Филоктету отправляться под Трою, где он будет излечен. Филоктет повиновался, и по прибытии под Трою его действительно вылечил один из сыновей Асклепия (по разным версиям, Махаон или Подалирий). Выздоровевший Филоктет сразу же вызвал Париса на поединок в стрельбе из лука и нанес смертельную рану троянскому царевичу.
После смерти Париса Одиссей взял в плен троянского прорицателя Елена, сына Приама. Пообещав Елену сохранить жизнь и не чинить ему вреда, Одиссей убедил его открыть ахейцам условия, при которых они смогут завоевать Трою. По другой версии мифа, Елен сам перешел в греческий лагерь, желая отомстить своему брату Деифобу, а также отцу, не пожелавшим после гибели Париса отдать ему в жены Елену. Среди этих условий были вступление в войну на стороне греков Неоптолема, юного сына Ахилла, и похищение из троянской цитадели деревянной статуи Афины (палладия).
Одиссей с Фениксом и Диомедом немедленно отплыли на Скирос, где они уговорили Ликомеда отпустить Неоптолема под Трою. Говорят, что Неоптолему было в то время всего двенадцать лет. По прибытии ему явилась тень Ахилла, после чего Неоптолем достойно проявил себя и на военном совете, и в бою, и Одиссей охотно уступил ему доспехи Ахилла.
Накануне падения осажденного города Одиссей вместе с Диомедом проникли в Трою и похитили там статую Афины (палладий), обладание которой предвещало победу над врагом. В цитадель троянцев они пробрались по узкому и грязному потайному ходу, показанному им Антенором, перебили уснувшую стражу и вдвоем захватили изваяние, которое жрица Феано, жена Антенора, с готовностью отдала им. По другой версии, Диомед перелез через стену, встав на плечи Одиссея, и в одиночку проник в город. Когда он вновь появился, неся в руках палладий, они вдвоем отправились в лагерь при ярком свете Луны. Но Одиссей захотел, чтобы вся слава досталась ему. Он поотстал от Диомеда, который нес статую на плечах, и убил бы его, если бы Диомед не заметил тень от занесенного над ним меча. Он развернулся, обнажил свой меч, обезоружил Одиссея, скрутил ему руки и пинками погнал к кораблям.
После гибели Париса и мисийца Эврипила троянцы больше не рисковали выходить на битву в открытом поле, но мощные стены Трои все еще оставались непреодолимым препятствием для греков. Выход из положения нашел Одиссей. По его совету мастер Эпей построил огромного пустотелого деревянного коня, а сбоку предусмотрел откидную дверцу. Одиссей уговорил самых храбрых греков в полном боевом снаряжении забраться внутрь коня по веревочной лестнице. Количество воинов внутри коня называют по-разному: двадцать три, тридцать и даже пятьдесят. Ночью оставшиеся с Агамемноном греки выполнили все, что им велел Одиссей, а именно: сожгли свой лагерь, вышли в море и затаились у берегов Тенедоса в ожидании вечера. На берегу остался только Синон, который, притворившись предателем, объяснил собравшимся утром на берегу троянцам, что греки потеряли надежду овладеть Троей и отправились домой, оставив коня как умилостивительный дар Афине. Конь, по его словам, сделан таким большим, чтобы не дать троянцам втащить его в город; оставив коня на берегу, они проявят пренебрежение к Афине, за что богиня уничтожит их. Несмотря на бурные возражения Кассандры и Лаокоона, Приам приказал ввести коня в город. В правоте Синона троянского царя убедила также ужасная смерть Лаокоона, которую он ошибочно счел местью Афины за то, что Лаокоон вонзил копье в деревянного коня. Введя коня в пределы крепостных стен, троянцы устроили празднества в честь победы. А ночью, когда воины угомонились и крепко уснули, сидевшие внутри коня греки во главе с Одиссеем спустились по веревочной лестнице, перебили сонную стражу цитадели и дворца и открыли ворота своим товарищам, возвратившимся с Тенедоса. Началось избиение застигнутых врасплох троянцев.