1937年7月7日，盧溝橋事變，抗日戰爭全面爆發。國共兩黨結成統一戰線，聯合對日作戰。

8月初，蔣介石任命閻錫山為第二戰區司令長官，指揮晉綏軍隊抗日。晉綏軍編為兩個集團軍，楊愛源為第六集團軍總司令，傅作義為第七集團軍總司令。第七集團軍轄三十五軍、十三軍、六十八師、騎七師、騎二師、高桂滋部和劉汝明部，負責平綏路線的防御。這時，傅將軍抗日非常積極、堅決。8月初，他派十三軍軍長湯恩伯率部從綏東到懷來、南口一帶設防。三十五軍各部收復寶昌、沽源、尚義、南壕塹、化德等偽蒙古軍李守信、德王所盤踞的大塊地區，偽蒙古軍集結于張北困守。傅部六十八師為預備隊，駐天鎮一帶，

傅作義設司令部于裝甲車上，巡行于柴溝堡、沙城之間，指揮作戰。8月12日到8月26日，湯恩伯部與日軍在南口一帶激戰十多日，敵人屢次增援，也未得逞。此時日軍從熱河分兩路攻察哈爾省，增援困守張北的偽蒙軍。察哈爾省主席兼一四三師師長劉妝明聞日軍進攻，驚慌失措，不戰而退，致使日軍于8月29日占領張家口。張家口的失陷，使南口守軍腹背受敵，湯恩伯軍自行沿太行山向山西方向撤退。日軍坂垣師團尾隨其后，由懷來向山西廣靈、渾源、靈丘等地進犯，與楊愛源第六集團軍接觸、山西告急。為此，閻錫山急令傅作義的第七集團軍向山西撤退。傅部經懷仁、山陰、朔縣，移駐陽明堡。

當傅作義率軍赴平綏線作戰時，綏遠省政府日常工作由馮曦代行，軍務由袁慶曾負責處理。后閻錫山又派趙承緩來綏代理主席。綏遠留守部隊曾在豐鎮、集寧英勇抗擊日軍，終因寡不敵眾而失敗。10月13日歸綏失守，17日包頭陷落，綏遠省大部地區落入日寇之手。

9月中旬，由懷來侵晉的坂垣師團，與由平綏鐵路經大同南犯之敵，向長城陽方口、茹越口、平型關發動鉗形攻勢。第六集團軍的郭宗汾、陳長捷兩部在平型關與敵展開拉鋸戰。閻錫山急令傅作義率孫蘭峰旅、董其武旅馳援平型關，并代替楊愛源指揮平型關戰斗。傅代楊的第一天——9月25日，八路軍一一五師伏擊坂垣師團第二十一旅所屬二十一聯隊和輜重部隊，獲得全面抗戰以來第一個大勝仗——平型關大捷。由于這一勝利，便平型關正面守軍得以繼續抗敵3天。9月28白，茹越口失守，日軍越過長城，占領繁峙，平型關守軍腹背受敵。在9月34日的軍事會議上，傅作義將軍主張先以重兵急攻繁峙，消滅入侵之敵，穩定后方，再固守平型關團城口一線。被日軍嚇破膽的閻錫山卻下令，雁門關、平型關全線撤退，趕到忻口設防。

忻口位于太原之北鐵路線上，是拱衛太原的屏障。日軍在平型關會師后，南下進入忻口地區。10月間，日軍在飛機、坦克掩護下，向忻口發動進攻。忻口之戰以第十四集團軍的4個師、1個獨立旅為主力，配以晉綏軍1個師4個旅，共約8萬人防守。衛立煌、傅作義分任前敵正、副總指揮。忻口戰役在南懷化、紅溝谷地間展開，我方堅守陣地，并配以短促突擊，打得十分勇猛頑強。為了解救被敵包圍、情況十分危急的兩部友軍，傅作義將軍不計自己的犧牲，主動將所屬二一八旅的一個營，派往前沿陣地抗擊日軍，解救了友軍之圍。

傅部董其武旅接受搗毀坂垣司令部的任務后，首襲弓家莊，再擊東泥河村，重創敵軍。我四三六團一個營也傷亡過半。這時董其武旅長臂部受傷，傅派孫蘭峰旅長代替指揮。孫用兩個團的主力襲擊舊河北村，終于搗毀了坂垣司令部，占領炮兵陣地。敵殘部占據民房頑強抵抗，并增援二三百人反攻。傅軍迎頭痛擊，斃敵甚多，殘敵向西逃竄。在紅溝大戰中，傅作義命三十五軍四十一團袁慶榮部，參加左冀兵團作戰。10月17日，三十五軍四二二團王雷震部加入戰斗。王團長率部作戰非常英勇，利用近戰、夜戰戰術，不但擊退正面之敵，還援助友軍奪回陣地，贏得了“黃王團”(官兵佩戴黃色臂章)的稱號。

忻口激戰23關，日軍三易指揮官，傷亡1萬多人，但毫無進展，形成兩軍對峙局面。在此關鍵時刻，國民黨黃紹蛾部在正太鐵路線上作戰失利，娘子關失守，日軍沿陽泉、壽陽向榆次推進，太原告警。于是，閻錫山決定，撤退忻口守軍，保衛太原。

11月2日，閻錫山召開軍事會議，討論守衛太原問題。太原為山西省首府，城池堅固，東西為山，如果兵力部署得當，倚城野戰，是可以重創敵軍，遲滯日軍進攻步伐的。但這次會議上，中央軍衛立煌及山西晉軍各將領，都不愿承擔太原防守重任。傅作義部三十五軍，經過平型關、忻口之戰，疲憊不堪，減員嚴重，擔此重任，已力不從心。然而，傅將軍以國家民族利益為重，不計個人安危，在眾將推諉的僵局之下，他毅然地說：“棄土莫如守土光榮，太原城我守。”

這次防守太原，只有傅作義指揮的三十五軍和友軍楊維垣等兩個旅一個團，總兵力1萬余人。在強敵面前，守城十分艱難。傅將軍決心以身報國，為國家和民族盡力。他寫給家人的書信中說：“我奉命在平綏線擔任前敵指揮，雖經國軍浴血奮戰，仍未能阻止日寇的瘋狂進攻。目前戰火已燒到太原附近，我已奉命擔任太原城防司令，肩負保衛太原之責……作義自幼從軍，戎馬半生，只知為國為民，早置生死于度外，只要一息尚存，誓與日寇血戰到底，為國捐軀，義無反顧。”

在傅作義將軍誓死血戰的精神鼓舞下，11月4日，守城部隊開進太原城。按照部署，董其武旅守北城，孫蘭峰旅守東城，其他諸將分守南城和西城。各部進入防守陣地，立即構筑城防工事。本來，閻錫山確立了固守太原，倚城野戰的方針，但中央軍衛立煌等根本不聽指揮，竟身將部隊向后撤退傅守太原，已是一座孤城。5日，由忻口南下的日軍，已迫近太原城郊；沿正太線西犯的日軍，也迫近太原東南郊。兩股日軍形成包圍態勢，太原城防完全暴露在敵人面前。當天上午，日機在太原城上空輪番偵察轟炸。下午，敵人以大炮向城內猛烈轟擊，太原城進入緊急臨戰狀態。

6日拂曉，日軍完成攻城部署，以數倍于守軍的兵力，開始攻城。日軍先以百門大炮實行摧毀性轟擊，同時又以數十架飛機轟炸，3丈6尺高的城墻，多處被炸成不滿兩丈的土坡，城上工事也多被炸毀。午后3時，日軍主力向太原北郊發起猛攻，守軍頑強抵抗，戰斗甚為激烈。

7日，日軍開始大規模的全線進攻。攻城步兵在飛機、大炮掩護下，向太原城防反復沖鋒。守軍利用斷壁殘垣、與敵人反復爭奪，浴血奮戰。東北角城墻被敵炮轟塌，守軍多次堵口，敵炮再次轟塌。黃昏，敵一營兵力突入城內，占據小校場炮兵營盤。傅軍一面封鎖缺口，一面抽調兵力，圍殲突入城內的日軍。另外，北城、東城戰斗也十分激烈。下午6時，當戰斗正在激烈進行之時，副軍長兼戒嚴司令曾延毅，不戰而逃出太原城。不明真相的人以為傅(副與傅諧音)軍長出了城，以訛傳訛，鬧得軍心浮動，動搖斗志。

8日拂曉，敵人以更強大的威力，再度發起攻勢，戰斗更為殘酷，直打得震天動地，雙方死傷極大。東北城角，敵人以密集部隊在坦克支援下，作波浪式沖鋒，前仆后繼，蜂擁而至。守軍英勇抵抗，白刃肉搏，多次擊退敵人進攻。激戰至11時，敵人約1個營兵力攻入城內。城內守軍，與之奮戰。守城部隊，重新組織力量，再次收復東北城角失去的陣地。在北城，日軍分多路撲來，強行爬城。董其武旅指揮各團英勇抵抗。由于北城墻多處被敵炮炸毀，兩軍在殘垣斷壁上爭奪，打得天昏地暗，死傷狼藉。

傅部有一個連，自忻口會戰至此，連續遞換了12個連長，目前只剩下17人參戰。官兵為抗日救國光榮犧牲的精神，真正是光照日月，氣貫長虹。北城戰至中午，營長李登明及大部分連長犧牲，敵人從城墻缺口蜂擁入城。城內展開巷戰，由于守軍各部隊間的通訊聯絡被切斷，形成各自為戰的局面。下午，狡猾的日軍向大原至晉祠公路移動，企圖切斷守軍退路，置傅作義防守部隊于死地。

自抗戰以來，我黨領導的八路軍赴山西參戰。中共中央副主席周恩來同志結識傅作義將軍，敬佩他的抗日愛國熱情。這次守城，周恩來同志正在太原，參加了閻錫山召開的防守太原的軍事會議。會后，周恩來同志對傅將軍的愛國行動表示贊賞，并備加愛護地說：“抗日戰爭勝利的基礎在于廣大人民群眾深厚的偉大力量。請你保重。”

太原被圍的11月5日，周恩來同志仍在太原城內，他分析了敵我形勢，囑咐傅作義將軍：“你是守城的名將，勇敢善戰，是可以信賴的。但現在所進行的戰爭是反侵略戰爭，這就規定了戰爭性質的持久性、復雜性。焦土抗戰的主張是錯誤的；只顧一城一地之得失，也是不足為訓的。要從長遠看問題，能夠爭取時間就是勝利，能夠保存有生力量就是勝利。務請深思熟慮。”是夜，傅將軍派警衛人員護送周恩來同志出城。

至8日，已苦戰3晝夜，守軍完成了大部隊后撤及物資轉移的任務。刻下，守軍難以再支撐，傅已得悉國民黨軍事委員會委員長“相機撤離”的電令，又深思周恩來同志的談話，為了保存有生力量，爭取抗日戰爭的最后勝利，傅作義將軍于當晚下達撤退命令，傅與守城官兵是夜突圍。部隊先在中陽縣集中，后至石樓、柳林一帶休整改編。