1937年7月7日，卢沟桥事变，抗日战争全面爆发。国共两党结成统一战线，联合对日作战。
8月初，蒋介石任命阎锡山为第二战区司令长官，指挥晋绥军队抗日。晋绥军编为两个集团军，杨爱源为第六集团军总司令，傅作义为第七集团军总司令。第七集团军辖三十五军、十三军、六十八师、骑七师、骑二师、高桂滋部和刘汝明部，负责平绥路线的防御。这时，傅将军抗日非常积极、坚决。8月初，他派十三军军长汤恩伯率部从绥东到怀来、南口一带设防。三十五军各部收复宝昌、沽源、尚义、南壕堑、化德等伪蒙古军李守信、德王所盘踞的大块地区，伪蒙古军集结于张北困守。傅部六十八师为预备队，驻天镇一带，
傅作义设司令部于装甲车上，巡行于柴沟堡、沙城之间，指挥作战。8月12日到8月26日，汤恩伯部与日军在南口一带激战十多日，敌人屡次增援，也未得逞。此时日军从热河分两路攻察哈尔省，增援困守张北的伪蒙军。察哈尔省主席兼一四三师师长刘妆明闻日军进攻，惊慌失措，不战而退，致使日军于8月29日占领张家口。张家口的失陷，使南口守军腹背受敌，汤恩伯军自行沿太行山向山西方向撤退。日军坂垣师团尾随其后，由怀来向山西广灵、浑源、灵丘等地进犯，与杨爱源第六集团军接触、山西告急。为此，阎锡山急令傅作义的第七集团军向山西撤退。傅部经怀仁、山阴、朔县，移驻阳明堡。
当傅作义率军赴平绥线作战时，绥远省政府日常工作由冯曦代行，军务由袁庆曾负责处理。后阎锡山又派赵承缓来绥代理主席。绥远留守部队曾在丰镇、集宁英勇抗击日军，终因寡不敌众而失败。10月13日归绥失守，17日包头陷落，绥远省大部地区落入日寇之手。
9月中旬，由怀来侵晋的坂垣师团，与由平绥铁路经大同南犯之敌，向长城阳方口、茹越口、平型关发动钳形攻势。第六集团军的郭宗汾、陈长捷两部在平型关与敌展开拉锯战。阎锡山急令傅作义率孙兰峰旅、董其武旅驰援平型关，并代替杨爱源指挥平型关战斗。傅代杨的第一天——9月25日，八路军一一五师伏击坂垣师团第二十一旅所属二十一联队和辎重部队，获得全面抗战以来第一个大胜仗——平型关大捷。由于这一胜利，便平型关正面守军得以继续抗敌3天。9月28白，茹越口失守，日军越过长城，占领繁峙，平型关守军腹背受敌。在9月34日的军事会议上，傅作义将军主张先以重兵急攻繁峙，消灭入侵之敌，稳定后方，再固守平型关团城口一线。被日军吓破胆的阎锡山却下令，雁门关、平型关全线撤退，赶到忻口设防。
忻口位于太原之北铁路线上，是拱卫太原的屏障。日军在平型关会师后，南下进入忻口地区。10月间，日军在飞机、坦克掩护下，向忻口发动进攻。忻口之战以第十四集团军的4个师、1个独立旅为主力，配以晋绥军1个师4个旅，共约8万人防守。卫立煌、傅作义分任前敌正、副总指挥。忻口战役在南怀化、红沟谷地间展开，我方坚守阵地，并配以短促突击，打得十分勇猛顽强。为了解救被敌包围、情况十分危急的两部友军，傅作义将军不计自己的牺牲，主动将所属二一八旅的一个营，派往前沿阵地抗击日军，解救了友军之围。
傅部董其武旅接受捣毁坂垣司令部的任务后，首袭弓家庄，再击东泥河村，重创敌军。我四三六团一个营也伤亡过半。这时董其武旅长臂部受伤，傅派孙兰峰旅长代替指挥。孙用两个团的主力袭击旧河北村，终于捣毁了坂垣司令部，占领炮兵阵地。敌残部占据民房顽强抵抗，并增援二三百人反攻。傅军迎头痛击，毙敌甚多，残敌向西逃窜。在红沟大战中，傅作义命三十五军四十一团袁庆荣部，参加左冀兵团作战。10月17日，三十五军四二二团王雷震部加入战斗。王团长率部作战非常英勇，利用近战、夜战战术，不但击退正面之敌，还援助友军夺回阵地，赢得了“黄王团”(官兵佩戴黄色臂章)的称号。
忻口激战23关，日军三易指挥官，伤亡1万多人，但毫无进展，形成两军对峙局面。在此关键时刻，国民党黄绍蛾部在正太铁路线上作战失利，娘子关失守，日军沿阳泉、寿阳向榆次推进，太原告警。于是，阎锡山决定，撤退忻口守军，保卫太原。
11月2日，阎锡山召开军事会议，讨论守卫太原问题。太原为山西省首府，城池坚固，东西为山，如果兵力部署得当，倚城野战，是可以重创敌军，迟滞日军进攻步伐的。但这次会议上，中央军卫立煌及山西晋军各将领，都不愿承担太原防守重任。傅作义部三十五军，经过平型关、忻口之战，疲惫不堪，减员严重，担此重任，已力不从心。然而，傅将军以国家民族利益为重，不计个人安危，在众将推诿的僵局之下，他毅然地说：“弃土莫如守土光荣，太原城我守。”
这次防守太原，只有傅作义指挥的三十五军和友军杨维垣等两个旅一个团，总兵力1万余人。在强敌面前，守城十分艰难。傅将军决心以身报国，为国家和民族尽力。他写给家人的书信中说：“我奉命在平绥线担任前敌指挥，虽经国军浴血奋战，仍未能阻止日寇的疯狂进攻。目前战火已烧到太原附近，我已奉命担任太原城防司令，肩负保卫太原之责……作义自幼从军，戎马半生，只知为国为民，早置生死于度外，只要一息尚存，誓与日寇血战到底，为国捐躯，义无反顾。”
在傅作义将军誓死血战的精神鼓舞下，11月4日，守城部队开进太原城。按照部署，董其武旅守北城，孙兰峰旅守东城，其他诸将分守南城和西城。各部进入防守阵地，立即构筑城防工事。本来，阎锡山确立了固守太原，倚城野战的方针，但中央军卫立煌等根本不听指挥，竟身将部队向后撤退傅守太原，已是一座孤城。5日，由忻口南下的日军，已迫近太原城郊；沿正太线西犯的日军，也迫近太原东南郊。两股日军形成包围态势，太原城防完全暴露在敌人面前。当天上午，日机在太原城上空轮番侦察轰炸。下午，敌人以大炮向城内猛烈轰击，太原城进入紧急临战状态。
6日拂晓，日军完成攻城部署，以数倍于守军的兵力，开始攻城。日军先以百门大炮实行摧毁性轰击，同时又以数十架飞机轰炸，3丈6尺高的城墙，多处被炸成不满两丈的土坡，城上工事也多被炸毁。午后3时，日军主力向太原北郊发起猛攻，守军顽强抵抗，战斗甚为激烈。
7日，日军开始大规模的全线进攻。攻城步兵在飞机、大炮掩护下，向太原城防反复冲锋。守军利用断壁残垣、与敌人反复争夺，浴血奋战。东北角城墙被敌炮轰塌，守军多次堵口，敌炮再次轰塌。黄昏，敌一营兵力突入城内，占据小校场炮兵营盘。傅军一面封锁缺口，一面抽调兵力，围歼突入城内的日军。另外，北城、东城战斗也十分激烈。下午6时，当战斗正在激烈进行之时，副军长兼戒严司令曾延毅，不战而逃出太原城。不明真相的人以为傅(副与傅谐音)军长出了城，以讹传讹，闹得军心浮动，动摇斗志。
8日拂晓，敌人以更强大的威力，再度发起攻势，战斗更为残酷，直打得震天动地，双方死伤极大。东北城角，敌人以密集部队在坦克支援下，作波浪式冲锋，前仆后继，蜂拥而至。守军英勇抵抗，白刃肉搏，多次击退敌人进攻。激战至11时，敌人约1个营兵力攻入城内。城内守军，与之奋战。守城部队，重新组织力量，再次收复东北城角失去的阵地。在北城，日军分多路扑来，强行爬城。董其武旅指挥各团英勇抵抗。由于北城墙多处被敌炮炸毁，两军在残垣断壁上争夺，打得天昏地暗，死伤狼藉。
傅部有一个连，自忻口会战至此，连续递换了12个连长，目前只剩下17人参战。官兵为抗日救国光荣牺牲的精神，真正是光照日月，气贯长虹。北城战至中午，营长李登明及大部分连长牺牲，敌人从城墙缺口蜂拥入城。城内展开巷战，由于守军各部队间的通讯联络被切断，形成各自为战的局面。下午，狡猾的日军向大原至晋祠公路移动，企图切断守军退路，置傅作义防守部队于死地。
自抗战以来，我党领导的八路军赴山西参战。中共中央副主席周恩来同志结识傅作义将军，敬佩他的抗日爱国热情。这次守城，周恩来同志正在太原，参加了阎锡山召开的防守太原的军事会议。会后，周恩来同志对傅将军的爱国行动表示赞赏，并备加爱护地说：“抗日战争胜利的基础在于广大人民群众深厚的伟大力量。请你保重。”
太原被围的11月5日，周恩来同志仍在太原城内，他分析了敌我形势，嘱咐傅作义将军：“你是守城的名将，勇敢善战，是可以信赖的。但现在所进行的战争是反侵略战争，这就规定了战争性质的持久性、复杂性。焦土抗战的主张是错误的；只顾一城一地之得失，也是不足为训的。要从长远看问题，能够争取时间就是胜利，能够保存有生力量就是胜利。务请深思熟虑。”是夜，傅将军派警卫人员护送周恩来同志出城。
至8日，已苦战3昼夜，守军完成了大部队后撤及物资转移的任务。刻下，守军难以再支撑，傅已得悉国民党军事委员会委员长“相机撤离”的电令，又深思周恩来同志的谈话，为了保存有生力量，争取抗日战争的最后胜利，傅作义将军于当晚下达撤退命令，傅与守城官兵是夜突围。部队先在中阳县集中，后至石楼、柳林一带休整改编。