1937年8月13日，淞滬抗戰打響。杜聿明率年輕的裝甲兵團戰車第一營的兩個連投入戰鬥。在上海匯山碼頭協同步兵阻擊企圖登岸的日軍，在激戰中，有輛戰車拋錨。淞滬前線司令官張治中誤以爲士兵畏葸不前，以軍法相威脅。於是，戰車連連長指揮戰車繼續衝鋒，後被日軍擊毀。張治中在望遠鏡中目睹戰車連的覆沒，不禁熱淚盈眶。
三個月後，國民黨軍隊從上海撤退，杜聿明所屬的戰車部隊留守南京，參加了南京保衛戰，損失慘重。
1938年1月，杜聿明的裝甲兵團撤至湖南湘潭休整。這時，國民政府向歐美各國購進一批新式裝備，有蘇聯九噸半戰車80輛，德國朋斯柴油卡車百餘輛，美國福特卡車400餘輛，美造哈雷二輪、三輪摩托車40餘輛，陸續到達國內。
軍事委員會命令裝甲兵團擴編爲國民黨軍第一個機械化步兵師—第二百師。杜聿明爲師長、邱清泉爲副師長，廖耀湘爲參謀長。第二百師編制比一般陸軍師龐大，師司令部設有參謀、副官、軍需等八大處，所屬部隊有兩個戰車團、兩個摩托化步兵團、一個戰車防禦炮團，另有特務營、通訊營、搜索營、工兵營等及修理廠、醫院等，全師兵力約兩萬人。
1938年12月，第二百師擴編爲新編第十一軍，杜聿明爲副軍長，該軍是第一支機械化部隊，下轄第七十七、第二百、新編第二十二師。1939年2月，新編第十一軍番號改爲第五軍，杜聿明任軍長。
崑崙關激戰獲勝
1939年，日本侵略軍爲企圖截斷我西南國際交通線，正集結兵力，準備開闢華南戰場。同年11月15日清晨，華南沿海的欽縣、防城、合浦、小董、靈山等地的軍事設施，突然遭到日本航空母艦上起飛的轟炸機的猛烈轟炸;8時10分，在艦艇炮火的掩護下，日軍第五師團、第八師團、鹽田兵團、中村支隊強行登陸，突破中國的防線，兵分三路，向北突進，17日，廣西要地南寧告急。
軍情似火，蔣介石命令杜聿明第五軍從南嶽衡山調赴桂南戰場。杜聿明不敢怠慢，以二百師師長戴安瀾爲全軍先遣部隊，限三日內趕到南寧，佔領陣地後，掩護全師逐次轉進。
11月23日，第二百師六百團經過上千公里的長途跋涉，與日軍二十一旅團幾乎同時到達南寧以北二、三塘。殊死的戰鬥竟達兩天半，六百團的戰士顧不上體力疲勞和給養不足，英勇頑強，終使日軍攻勢頓挫，但該團損失很大，團長邵一之血灑沙場。
六百團轉移到高峯隘一帶陣地，修築工事，防止敵人北進。五九八團乘汽車剛趕到八塘，就與日軍步兵二十一聯隊第三大隊大隊長森本宅二中佐率領的第三大隊和日軍騎兵第五聯隊展開激戰。
軍長杜聿明與新二十二師師長邱清泉，榮譽第一師師長鄭洞國，先後到達遷江附近。
12月16日晚，軍長杜聿明在召集團以上軍官會議，指示作戰機宜。杜聿明指着地圖說;“我軍以收復南寧爲目的，決定於18日拂曉開始攻擊;先以一部迂迴八塘敵陣地之右側翼，攻略八塘、崑崙關後，以一部向二塘追擊，主力於五塘、橫嶺、譚蓬村一線，整理態勢，再繼續向南寧攻擊前進。”
凌晨2時整，兩顆紅色信號彈騰空而起，榮一師開始了對崑崙關的局部夜襲，成排的曳光彈交織在一起，伴隨着爆炸聲，山川和大地都在猛烈地顫抖。三團和二團的士兵們，在二團長汪波和三團長鄭庭笈的指揮下，以輕重機槍和手榴彈開道，迅速地衝向高地。日軍在突然打擊之下亂了陣腳。第二團首先攻佔了441高地和老毛嶺，接着第三團也攻佔了600高地，速度之快令守日軍防不勝防。
日軍今村均師團長急派二十一聯隊長三木吉之助大佐率領聯隊火速趕往崑崙關。日軍分乘31輛汽車從南寧出發，車隊騰起的塵埃像一條滾滾向前的巨蟒，沿邕賓公路向北急進，不到兩小時就到達九塘。堅守崑崙關的日軍得到援軍的支援，在山炮、迫擊炮、重機槍的掩護下開始反撲。
榮一師第三團組織了密集的火力網，攔住了日田村中隊的反撲。激戰到拂曉4時，第五軍的一線部隊在戰車和炮兵的協助下，對崑崙關正面之敵猛烈攻擊。10時40分，榮一師右翼二團攻佔羅塘南端高地，並向崑崙關方向逼進;另以一部攻擊界首附近殘敵。11時許，大部分日軍抵擋不住了，紛紛向九塘退卻，但是公路東側、界首西北及600高地南側等高地的殘敵，仍堅守頑抗，下午2時，榮一師左翼隊進展至枯桃嶺、同平一線。此時，日機10餘架臨空，協助其日軍步炮兵向羅塘南側高地、60東方高地、600高地猛烈襲擊;榮一師攻勢受挫。
與此同時，邱清泉的新二十二師分兩個縱隊，於17日晚利用天黑由黃盛嶺、茅嶺之線向南推進。軍長杜聿明覆令該師向五塘、六塘以北地區前進，切斷敵之退路，以協助榮一師殲滅崑崙關、九塘、八塘之敵。該師左翼隊在六十六團團長劉俊生帶領下佔領韋村，與敵人警戒部隊交火，激戰到20時40分將敵擊退，並繼續追擊。六十六團佔領六塘，劉團長立即命令構築工事，同時派人將公路、橋樑及通訊聯絡徹底破壞。
653高地雄峙於崑崙關東北，控制該高地就可以控制崑崙關整個戰場，是兩軍必爭之要地。日軍四十二聯隊松本部隊小川支隊率200多人在高地上構築了堅固的工事和密圍鐵絲網進行固守。經過浴血奮戰，榮一師第三團吶喊着，踏着死人堆前進，佔領了653高地。
日軍的反擊一開始就猛烈無比。十幾架飛機盤旋，向653高地的榮一師守軍擲彈、掃射，滿山遍野都是頭戴鋼盔的日軍，在大炮的掩護下，輪番攻擊。653高地上的國軍官兵傷亡慘重，無力抵禦日軍的反撲，陣地動搖，高地覆被日軍攻陷。
杜聿明得知653高地丟了，焦急萬分，急令總預備隊戴安瀾火速增援。戴安瀾派出主力師的五九九團一陣猛打，打退了腳跟未穩的敵人，登上653、600高地。同一天，老毛嶺與441高地也遭到日軍步炮協同猛烈反擊，榮一師第二團拼死抵抗，但還是無法阻止日軍一步步逼近高地，第二百師在敵之側背一陣狂打，才得以轉危爲安。
12月20日上午10時，日軍中村旅團以步兵兩個大隊爲基幹，從南寧出發，前面是18輛戰車開道，後面是十幾門大炮轟擊，天上是9架日軍飛機的掩護，氣勢洶洶地增援崑崙關。
23日，日軍中村正雄少將指揮日軍潮水般往前衝鋒，突然，一顆子彈飛來，中村正雄左頰被穿透，鮮血直流，他簡單包紮完傷口，繼續率部衝鋒;經過一晝夜強行突擊，終於接近九塘，與被圍在崑崙關的部隊遙相呼應。
中村正雄突然身子一震，手捂着腹部，鮮血伴着肚腸流了出來，一下子栽倒在地上。不久殞命。這是在崑崙關戰鬥中戰死的日軍最高級指揮官。
26日16時40分，杜聿明一聲令下，攻打崑崙關的戰鬥開始了。國軍3架CB轟炸機和1架格式機，在費金大隊長率領下，飛抵崑崙關、九塘上空，協助二百師的進攻。
“轟轟轟”一枚枚50公斤重的炸彈落在日軍陣地上，碉堡、輜重、屍體飛上天，不少地堡的機槍停止了叫喚。第二百師的士兵向高地衝去;與此同時，榮一師第三團由羅塘南端高地向崑崙關攻擊。
天逐漸黑下來，但二百師和榮一師的攻擊勢頭依然不減。士兵們終宵激戰，當東方的旭日噴薄欲出時，在日軍兩面夾擊之下，榮一師第三團率先衝進了崑崙關。
十幾架敵機飛抵崑崙關，用機槍掃射，投彈轟炸，阻擋中國軍隊的進攻。隱伏在巖洞裏和工事中的日軍殘餘開始反擊。午後，日軍援軍趕到，匯合公路兩側的部隊和九塘方向的日軍部隊近千人，向丟失的陣地反攻。在敵機的掩護下，日軍與榮一師第三團二營主力混戰在一起，惡戰持續了4個多小時。二營傷亡已到極限，一連戰士傷亡殆盡。連長吳興智懷抱機槍，東西掃射，阻止了60多名日軍的衝鋒。日步兵二十一聯隊第二中隊打紅了眼，調集所有山炮、野戰炮、速射炮、迫擊炮，對準崑崙關主陣地轟擊，連長吳興智被炸成碎片，壯烈成仁，高地再次落入日軍之手。
南寧方面的日軍增援部隊已圍過來了。杜聿明知道，如果不迅速拿下崑崙關，完全有可能被敵人反包圍。他下令集中全軍優勢炮火，採取逐次攻克各據點的戰術，迅速轟擊當面之敵，奪取崑崙關。
12月28日15時整，第五軍炮兵隊用3門重炮開始向界首和653高地轟擊，大炮持續吼叫了7分鐘，隨後戴安瀾第六百團和補充團開始向界首、653高地發起衝鋒。固守界首北側高地的日軍阪田部隊第五中隊200多名士兵，在重機槍4挺、輕機槍10餘挺組織成的火力網下，憑藉強固的坑道式堡壘拼命頑抗。在師長戴安瀾指揮下，一營在左，三營在右，猛撲堡壘東側敵方的支撐點。左翼第—連急攻直撲山頂，前仆後繼，終將鐵絲網破壞，奮勇衝入。日軍發信號彈求救。片刻之後，日援軍向榮一師三團猛撲而來，一場白刃戰又在高地上展開。第一連連長譚俊麟攜手榴彈率兵數名，直前衝擊，中彈倒下，第二連連長洪運龍奉命增援，率全體官兵衝殺上前。
榮一師也按攻擊命令，開始向441高地、金龍山、仙女山各要點攻擊，但整打了一天，亦無進展。入夜，日軍抵抗不住衝上界首高地的榮一師第二連士兵，短兵相接之中，日軍突然施放毒氣。第二連連長洪運龍和士兵猝不及防，紛紛中毒昏倒在陣地上。
29日，拂曉，激烈的山地浴血戰又開始了，第二百師的戰士們開始衝鋒了。在炮兵的掩護下，士兵們一寸寸地抵近日軍陣地，用手榴彈炸開鐵絲網衝進去，依然是殘酷的刀光血影，軀肉橫飛，下午l時30分至4時，日軍兩次反攻，均被擊潰。但是第二百師傷亡太大，撤了下來。在克服崑崙關的最後時刻，軍長杜聿明把這一重任交給了新二十二師師長邱清泉。
12月30日，晨5時15分，各種口徑的大炮炮口向界首、同興以南各高地敵堡壘開始射擊。5時40分，新二十二師的攻擊部隊開始攻擊。不斷有人倒下，但士兵們一往無前絲毫不敢有半點停頓。上午9時許，6架敵機瘋狂地在陣地上空輪番俯衝掃射、投彈。界首北側的攻擊部隊最多，落下的炮彈也最多，官兵們死傷很多。陣地上的高射炮、高射機關槍組織起對空火力網，射擊持續到11時，敵機向南寧方向逃去。12時，第五軍的大炮壓制住界首附近和崑崙關的敵炮兵陣地，南北同興，界首附近村落及其東南各高地先後被新二十二師攻克，戰車在步兵的指引下，將界首、崑崙關各山麓巖縫、石洞中的敵側防機關一一打掉。
12月31日，清晨6時整。第五軍的重炮以雷霆萬鈞之勢吼叫起來，密集巨大的爆炸聲夾雜着輕重機槍的“噠噠噠”聲連響不絕。崑崙關剎那間被硝煙、泥土、彈片層層裹了起來。激烈的搏鬥持續到中午，新二十二師第六十四團第九連官兵首當其衝闖入崑崙關。他們異常興奮，一陣瘋打，日軍紛紛向九塘方向潰退，新二十二師主力一舉衝進了崑崙關。
杜聿明興奮地將帽子摔在地上：“好!打得好。我要在委座面前爲弟兄們請功!”
12時，杜聿明親自口授，給重慶軍事委員會蔣介石委員長髮出克服崑崙關報捷電。
在攻打崑崙關的戰鬥中，第五軍陣亡軍官123人、士兵5560人，傷軍官265人、士兵10847人，總計傷亡人數16795人，而全軍參戰人數爲54034人。以慘重的代價，奪取了崑崙關戰役的勝利。
揮師入緬
1942年2月1日，日軍在泰國和馬來西亞交界的東海岸宋卡登陸，英軍節節敗退。2月下旬，日軍已逼近仰光，此地爲滇緬公路緬北通向滇西的門戶，這是中國與國際交通的唯一通道。在此嚴重的形勢面前，蔣介石下令中國遠征軍第五、第六兩軍入緬作戰，由杜聿明統一指揮，與英軍共同保衛仰光。但杜聿明的職務是副總司令，總司令是羅卓英。蔣介石的計劃是以第五軍第二百師不惜一切代價死守緬甸南端的同古，以爭取時間，掩護第五軍主力向同古一帶集結。
從3月18日開始，在同古以南約50公里的皮尤，二百師與日本第十五軍飯田祥二郎所部第三十三師團遭遇，雙方在同古激戰了12天。第二百師的處境危險異常，而第五軍第九十六師、戰車及炮兵不能及時集中，杜聿明擔心二百師會被強敵殲滅，因此，命令第二百師撤出同古，以保全戰鬥力。蔣介石預定的在同古與日軍主力會戰，以期反攻仰光的計劃受到了嚴重的挫折。
4月6日，蔣介石帶羅卓英到緬甸眉苗，親自部署，決定在緬甸中部的平滿納會戰，並增調第六十六軍入緬。
日軍繼續向北推進，杜聿明指揮新二十二師遲滯和阻擊日軍，掩護軍主力安全進入平滿納既設陣地，會戰即將打響。此時擔任西線的英軍，在日軍的打擊下，完全喪失鬥志，退到仁安羌以北，使西線門戶大開，而防守東路的第六軍暫五十五師在日軍的攻擊下潰退，中路遠征軍有被東西兩路敵人截斷和包圍殲滅的危險。史迪威和羅卓英決定放棄平滿納會戰，準備在更北面的曼德勒與日軍進行會戰，計劃將第五軍、第六十六軍分佈於長達300公里的平滿納至曼德勒之間的公路上。此計劃遭到杜聿明的堅決反對，認爲：“分散使用兵力，這樣只能被日軍各個擊破!”
羅卓英拿出他的威風說：“不接受命令堅決不許可!”
於是，杜聿明只得下令放棄平滿納會戰，但他還是趕赴羅卓英的司令部陳述：“放棄平滿納會戰，就必須集中兵力保全的兩大門戶—棠吉和眉苗，不應該再進行曼德勒會戰。”
可惜羅卓英並未聽從杜聿明的意見，對棠吉的重要性缺乏認識。4月下旬，日軍從東線攻取棠吉，杜聿明令二百師戴安瀾率部克服棠吉，並繼續肅清隘路之地，向羅列姆前進，以斷絕向臘戌前進的日軍的後路。此時，羅卓英連來四道命令，令部隊向曼德勒集結，準備會戰。杜聿明無奈，只得放棄浴血奮戰而克服的棠吉。日軍看破遠征軍的弱點，以輕快部隊用日行百公里的速度大膽向臘戌前進，至28日，臘戌即陷敵手。
日軍封死了遠征軍回國之門以後，回竄曼德勒。羅卓英張皇失措，急令部隊向八莫、密支那後撤。杜聿明率軍進抵緬北孟拱以北地區時，先是道路不良，後來就見不到什麼道路，行軍十分困難，機械化部隊便將所有車輛及大炮重武器自行破壞，全部拋棄。
從孟關往北全是山區，爲崇山峻嶺、山巒重疊的野人山和高黎貢山。野人山在西，縱深400餘里，綿延千里，是中緬印邊界的大山區。此處全是原始森林，海拔3826米，山嶺叢林密佈，難於通行，山間隘口爲古代交通要道。山區居住有少數居民，與外界很少聯繫，非常野蠻，在樹上往來，敏捷勝似猿猴，常用野弩傷人，被稱爲野人，該山區又稱爲野人山。
各部隊經過之處，多是森林蔽天，蚊蚋成羣，人煙稀少的深山區，給養十分困難。本來預計在雨季到來前可以到達緬北片馬附近，可是由於沿途可行之道路多爲敵人封鎖，不得不派出小股部隊牽制敵人.因此迂迴曲折，曠日費時。至6月1日前後，軍直屬隊一部及新二十二師才抵達打洛。
在艱苦的原始森林內行軍，螞蝗、蚊蟲以及千奇百怪的小爬蟲到處皆是。螞蝗叮咬，破傷風病隨之而來，瘧疾、迴歸熱及其他傳染病也大爲流行。一個發高燒的人，一經昏迷不醒，加上螞蝗吸血，螞蟻侵食，大雨沖洗，數小時內就變爲白骨。官兵死亡累累，沿途屍骨遍野，慘絕人寰。杜聿明也在打洛患迴歸熱，昏迷兩天，不省人事。此時，軍部接到蔣介石的電報，命令部隊“向印度雷多方向轉進，不必直赴葡萄，以免中途被困。”但全體官兵因此暫停行軍，等軍長被救治清醒後，已延誤了二日路程。杜聿明急令各部隊繼續北進，而沿途護理他的常連長卻因受傳染反而不治。就因爲這兩天，耽誤了寶貴的時間，大雨季到來了。滾滾的山洪咆哮而下，淹沒了道路，全軍被阻隔在打洛以南的河邊。工兵幾次架橋，水流湍急，樹木、繩索及架修的士兵被洪水衝得蹤跡皆無。士兵們整日在暴雨中，無衣無食，飢啼號寒，最後草根蕉葉羅掘俱空，僅8天之內就餓死官兵2000多人，野人山水邊、路旁、樹下、草中，到處是累累白骨。整班、整排、甚至整連餓死的極多。
6月17日，大雨初晴，從印度加爾各答起飛的運輸機飛到野人山區上空，在打洛以西的大河邊發現許多餓得爬不起來的人，開始盤旋空投大米包，一部分落入河中，另一部分落入懸崖和深壑中。剩下的大米，杜聿明令熬成粥，官兵以此果腹，至7月9日，第五軍軍部和新二十二師一部因迷路，還在緬北森林中不得脫身。在絕望之際，杜聿明淚呈蔣介石急電求救：
“十萬火急。委員長蔣;鵑密。本部及二十二師由清加林出發，沿途斷糧八日，餓斃官兵二千餘人。幸至打洛得鈞座派機救濟，官兵得此甘霖，始得向新背洋出發，中途又被洪水所阻，絕糧六日，冬(7月1日)日到新背洋。悉先遣團亦在此被水阻十餘日，不得前進，連電長官部籲請，僅於魚虞(6、7)兩日投送八次，共收五二八小包，每包二十餘磅至卅餘磅不等;共計不敷兩萬磅，不敷七千人一日半食用，使飢久將士，盡成餓殍。當地又極荒野，過軍甚多，無法採購。雖一再籲請，竟以飛機少，任務多爲辭，不予投送。……擬懇請鈞座嚴令整飭，剋日加緊投送給養，以救將士生命爲禱，此事本不敢煩擾鈞命，因呼求絕望，謹淚呈急電請示祈遵。……”
蔣介石急令後勤總司令俞飛鵬，要他請印度方面派出空軍協助杜聿明，緊急空投糧食。英國空軍偵察機在惡劣的天氣中，反覆在野人山區上空偵察，發現原始森林中有移動的人羣，便與運輸機聯絡，空投糧食及器材。在印度雷多的新三十八師亦派出搜索隊，用內外開路的辦法，與杜聿明部隊聯繫，並指引中國部隊脫險。
8月3日，杜聿明率部到達印度的雷多，結束了苦難的歷程。當一羣衣衫襤褸，面黃飢瘦，形似乞丐的人影出現在邊境上的時候，很難有人相信這曾經是雄赳赳氣昂昂的遠征軍。
事後，率部敗走野人山的杜聿明慘痛地說：“各部隊因落伍、染病死亡的，比在戰場上與敵戰鬥而死傷的還多數倍!” 在這場大潰退中，第五軍4.2萬餘人，回國後僅剩不足2萬人，除戰死者，1.47萬餘人被奪去了生命。
1942年8月，杜聿明奉蔣介石令回國，杜聿明以昆明防守司令部總司令兼第五軍軍長，該軍亦調回國整訓。隸屬該軍的新二十二師在撤到印度後，編入中國駐印軍序列。回國的第五軍下轄第九十六師，師長餘韶、第二百師師長高吉人，另將第六十六軍之新編第三十九師改隸該軍。
1943年1月28日杜聿明改任第五集團軍總司令，總司令部由昆明防守司令部改編而成。第五軍軍長由新一軍軍長邱清泉改任。杜聿明仍兼昆明防守總司令部總司令。一直到抗日戰爭結束，杜聿明都在昆明。
