1937年8月13日，淞沪抗战打响。杜聿明率年轻的装甲兵团战车第一营的两个连投入战斗。在上海汇山码头协同步兵阻击企图登岸的日军，在激战中，有辆战车抛锚。淞沪前线司令官张治中误以为士兵畏葸不前，以军法相威胁。于是，战车连连长指挥战车继续冲锋，后被日军击毁。张治中在望远镜中目睹战车连的覆没，不禁热泪盈眶。

三个月后，国民党军队从上海撤退，杜聿明所属的战车部队留守南京，参加了南京保卫战，损失惨重。

1938年1月，杜聿明的装甲兵团撤至湖南湘潭休整。这时，国民政府向欧美各国购进一批新式装备，有苏联九吨半战车80辆，德国朋斯柴油卡车百余辆，美国福特卡车400余辆，美造哈雷二轮、三轮摩托车40余辆，陆续到达国内。

军事委员会命令装甲兵团扩编为国民党军第一个机械化步兵师—第二百师。杜聿明为师长、邱清泉为副师长，廖耀湘为参谋长。第二百师编制比一般陆军师庞大，师司令部设有参谋、副官、军需等八大处，所属部队有两个战车团、两个摩托化步兵团、一个战车防御炮团，另有特务营、通讯营、搜索营、工兵营等及修理厂、医院等，全师兵力约两万人。

1938年12月，第二百师扩编为新编第十一军，杜聿明为副军长，该军是第一支机械化部队，下辖第七十七、第二百、新编第二十二师。1939年2月，新编第十一军番号改为第五军，杜聿明任军长。

昆仑关激战获胜

1939年，日本侵略军为企图截断我西南国际交通线，正集结兵力，准备开辟华南战场。同年11月15日清晨，华南沿海的钦县、防城、合浦、小董、灵山等地的军事设施，突然遭到日本航空母舰上起飞的轰炸机的猛烈轰炸;8时10分，在舰艇炮火的掩护下，日军第五师团、第八师团、盐田兵团、中村支队强行登陆，突破中国的防线，兵分三路，向北突进，17日，广西要地南宁告急。