一九三六年十二月初，卫立煌接到蒋介石的急电，要他带领幕僚去西安参加会议。十一日，张学良举行盛大宴会，招待蒋方高级军政人员。在接待宾客的纷忙中，张见卫在宴会厅，便迎上去与卫谈话。张赞扬卫青年时跟随孙中山先生，勇敢善战，目前威望很高。卫说张能继承父业在各种困难中周旋非易，彼此交谈，甚为投机。散席后，张亲自开车送卫回西京招待所。“西安事变”中，卫立煌随着众人一道被扣。在此期间，周恩来同志把卫当成重点团结对象，对他做了很多工作。卫深感周恩来对国民党将领心理状态的理解，开始意识到要取得抗日战争的胜利，就必须与共产党合作。蒋介石离开西安后，卫等获释。西安事变和平解决之后，卫立煌回任豫皖督办，设督办公署于六安。目标仍是对着大别山区〖革〗命根据地的红军与〖革〗命人民。
一九三七年，七七卢沟桥事变导致抗日战争全面爆发后，引起了国内形势的急剧变化。全国人民强烈要求“停止内战、团结抗日”
七月中旬卫立煌奉蒋介石电召，去庐山开会。卫行前曾与郭寄峤、戴永荪、刘刚夫、叶粹武等就当时局势问题进行商谈。
卫说：“我们是军人，保国卫民是我们的天职。目前举国人民一致要求联合抗日，我非常同情。我们要作走上抗日前线的准备。”卫立煌去庐山不久，公署接到三十二师师长王修身电告：“据岳西县方县长转据该县第三区李区长报告，红二十八军政委高敬亭派人来致意，愿开和谈，但必须卫督办派代表来。”公署将高敬亭的提议详电庐山卫立煌，卫立即回电派刘刚夫为和谈全权代表。一九三七年七月下旬，双方在岳西县就共同抗日举行和谈。九月下旬最后达成协议。由刘刚夫代表卫立煌，与高敬亭分别在协议书上签字，和谈宣告成功，使安徽的第二次国共合作开始形成。为执行协议，卫立煌呈请国民政府军事委员会，任命高敬亭为“抗日联军挺进军司令”并代向南京有关部门，洽领给养、被服、弹药、关防和委任状等。
七月底，天津日军向〖中〗国驻军第三十八师攻击，并占领大沽一带。
〖日〗本关东军也策应行动，向天津增派了坦克部队。此时，日军进入平津地区人数已达十余万人，北平危在旦夕。卫立煌请缨北上，得到南京军委会的批准，立即行动。八月初，卫率第十四军在保定以北、琉璃河站南陆续下了火车，日夜兼程，绕满城进入太行山东面的狼牙山、粱各庄、大安山，绕北平西面，侧敌行军。主力进至百huā山，史家营附近时，卫见日军板垣第五师团正向怀柔进犯，就立即命令第八十师向北面之西沟子前进，从敌背后插上一刀。同时，约集在南口、赤城、廷庆一线的两个师，南北夹击板垣第五师团，并令第十师向门头沟急进，乘北平空虚之际进行突进，令第八十五师至大安山、相机向丰台前进，袭击日军在华北最高司令部。可是，这个部署却因汉奸的泄漏而被敌知悉，日香月清司怀念官即变更部署，命板垣第五师团停止原有行动，分兵阻击，以保护他的后背：主力则在长城居庸关附近与卫部之八十三师激战于西沟子，并派长野右一郎的第十二联队对卫部作包抄行动。此时，卫部向北平急进的一个师，已进入北平西面的下马岭、千君台，与日军神田正种第四十五联队遭遇。另一个师也在离丰台三十八公里处与日军冈本镇臣第二十三联队遭遇。从八月十九日到九月十日，卫的各部均与日军展开了激烈的战斗。日军对卫立煌早有“支那虎将”之说，现在算尝到了他的厉害。香月清司见两军相持不下，于是继续增调兵力，命令他的第二十师团拚命向良乡进攻，打算包抄卫部的后路。面临敌人的三路围攻，卫立煌即令各部利用山形地势，从日军间隙中穿行，向南转移。各部遵照卫的指令，与香月清司指挥的部队比速度，比灵活，比机智，采取进进退退、打打走走的行动，全部冲出包围圈，到达指定的会合地点遂城镇。部队会合后，卫率部继续南下，准备参加保定和石家庄会战。但没想到保定正面的总指挥刘峙居然不战而逃，十余天败退近千里，引起全线溃退，日军长驱直入，保定、石家庄失守，他只好命令部队就地待命。
进攻山西的日军突破晋西北防线，猛攻忻口。阎锡山见日军逼近，急电蒋介石，要求派卫立煌部队驰援山西。十月初，卫接到蒋介石的命令后，即率参谋部到山西太原。阎在太原见到卫时，如遇救星，连声大呼：“是咱把你求来的。你辛苦了！”看到卫一行人风尘仆仆，都是一身深灰夏季军装，便叫副官处处长把所有随行人员领到太原一家大服装店，送给每人一套呢军服和一双是马靴。卫在太原迹见到周恩来和朱德总司令。当周恩来向他介绍第一一五师在平型关伏击板垣师团，消灭日军一千多人的重大胜利时，卫当即向八路军祝贺，并用电话通知在西安的办事处负责人吴海德，购置上万元的慰问品送给八路军。十月上旬，南京军委会发表卫立煌为第二战区前敌总指挥，统辖晋北全部〖中〗央军和晋绥军，在忻口阻住日军进攻。
忻口是挡住日军由北入侵太原的战略要地。向忻口正面进攻的日军，除板垣师团三个联队外，还有伪蒙军的两个师，总兵力约二万人，并附有各种火炮百余门。卫立煌指挥的部队为第十四集团军、河南地方军刘茂恩的第十五军、晋军陈长捷的三个师、晋军骑兵五十团、炮兵六个团，总兵力二十余万人。卫立煌接与阎锡山、朱德总司令研究了作战方案，决定以第十四集团军主力作为机动力量，以李默庵的第十四军、郝梦龄的第九军、刘茂恩的第十五军为基干，编为左、中、
右三路兵团，分别在忻口以北的龙正堂、南怀化、大白水，南峪之线布防，阻击日军，进行忻口战役。
十月十三日，日军三个师团和特种部队在飞机、战车和重炮的掩护下，对忻口发动猛攻。卫立煌指挥守军奋勇抵抗，几经激战，南怀化以南的灵山制高点被敌攻占，整个防线被打开了一个缺口。卫立煌闻讯，立即前往察看，严令李仙洲师实施反击，收复失地。
但李部反击失利，李仙洲重伤而归。此时，卫立煌计算自己的兵力，还有六个步兵师和两个骑兵旅可以机动，决定用第十四集团军郝梦龄军和陈长捷军进行一次决定性的反击，歼灭板垣师团，夺回南怀化要地。但是这次反击遭到敌人的逆袭，双方展开了肉搏战，灵山得而复失，失了又得。在这场激烈的混战中，第九军军长郝梦龄、第五十四师师长刘家麒、独五旅长郑廷祯同时殉国，官兵伤亡达数千人。卫立煌非常痛心，决定暂取守势，待进一步消耗敌人后，再由左翼发动攻势。
忻口战役激战至三十一日，已历时二十天，日军始终未能突破卫部防线。当时任八路军政治部主任的任弼时曾评价说：“忻口战争是华北抗战中最激烈的战争”。“卫立煌将军指挥下的全线部队，虽遭受了重大伤亡，毫未动摇，许多忠勇将士的英勇奋斗，是值得每个同胞永远纪念的。”但就在卫立煌准备从左翼向板垣师团发动攻势的同时，从东面进攻太原的日军已突破娘子关，长驱直入，奔向太原。阎锡山在电话里向卫立煌求援说：“东面守不住啦！咱们的兵力都用上了，你看咋办？”卫告诉他：“守不住东面，一定要守住忻口与太原之间的通道，两片联系起来，棋才能活。”同时卫又考虑到，一旦敌人割断太原与忻口之间的联系就有被敌人各个击破的可能。于是十一月一日，他命令部队退出忻口阵地，向太原靠拢。
十一月五日深夜，阎锡山找卫立煌、傅作义研究保卫太原的防务问题。傅作义认为，卫部可到太原以南保护太原与晋南的通道。以形成犄角之势。卫立煌同意傅的意见，说：“北面与东面的日军共有五万余人，都是有作战经验的。宜生（傅作义）的意见是对的。”他还对阎说，由他指挥的几个晋军师可归还阎的建制。阎马上说：“不说这些了。散会，快行动。俊如，听说你在忻口经常冒险上前线，咱可赔不起你的命。”六日，卫部尚未来得及部署，日军第二十师团向南切断了太原与晋南的通路。八日，敌第五师团进攻太原。九日，太原即失守。卫立煌只好率部至介休、孝义一带筑工坚守，与敌对峙。
一九三八年二月中旬，卫立煌被任命为第二战区司令长官兼前敌总指挥，指挥山西境内的全部〖中〗央军。十六日，卫总部移往霍州，准备对付敌人新的行动。
这时，侵华日军华北最高司令香月清司集中了第一零八、第二十，第一零九，第十四，第十六师团，共约十万人，由太原南下，企图一举攻下山西南部。卫立煌认为敌人的战略是速战速决，〖中〗国军队采用持久战，则是对日军的有效打击手段。〖中〗国军队应主动阻击其由北南下的师团，争取时间，让兄弟部队转入太行、吕粱。中条山脉和敌后。于是，他与阎锡山，朱总司令研究确定，将阻击点选择在临汾北面的韩信岭。二月十七日，卫立煌指挥所属部队在太行山区的韩信岭一带展开，构筑工事，采取阵地战的办法，进行了继忻口之后的第二次阻击战。
卫立煌在韩信岭与日军恶战至二十六日，寸土不让。日军未能从正面突破，乃以第二十师团主力向韩信岭阵地猛攻，并分兵一部向隐县前进，企图从左翼实施包抄。卫当即命令守军全线反击，展开更加猛烈的战斗 二十七日，卫立煌打电话给阎锡山，要他乘日军离开太原向韩信岭进犯之机，迅速夺回太原。阎接电后，大声高叫：“好！好！不过东面敌人挡不住咋办？”卫说：“先夺太原，放弃临汾，也是上策。”晋军开始行动后，因汉奸通敌，暴露了行动企图，日军急将其第一零九师团全力回撤，反攻太原的意图未能实现。
一九三八年春节，卫立煌到洪洞十八集团军总部拜年。以丁玲为首的西北战地服务团举办欢迎晚会。会上，表演了许多以团结抗日为主题的文艺节目，形式活泼感人。朱总司令向卫介绍了西北战地服务团的情况，卫颇感兴趣，表示他也要办一个文艺团体，宣传抗日，作为学习八路军政治工作的第一步。他回总部后，西北战地服务团团长把工作做到卫立煌部队附近。有人向卫报告说：“共产党把军队政治工作做到我们防地里，怕不合适吧？”卫说：“我们政工老爷不上前线，人家把工作送到家来，这有什么不好？”自此，卫下令长官部，开始吸收北平流亡学生和抗大、陕北公学的毕业生数十名，成立一个第二战区前敌总指挥部战地工作团，团长名丁当（原名丁治中），副团长（女）是丁当的爱人，名叫唐郎。这个团很活跃，做了不少有益工作。
同年春，卫部经运城、侯马一直绕到晋西的杨家岭。卫立煌为了要到河南陇海线上巡视，取道经延安至西安。四月中旬，卫立煌率随员郭寄峤、文朝籍等乘汽车，于十七日上午十时到达延安。延安组织相当长的队伍夹道欢迎，沿途还张贴“欢迎卫总司令到延安”“打倒〖日〗本帝国主义”等标语。卫和毛〖主〗席见面，紧紧握手，毛对卫十分亲切。
晚上，延安人民还举行盛大的欢迎晚会，欢迎卫立煌一行。晚会由李富春主持，毛〖主〗席致欢迎词。最后卫在热烈的掌声中致答词。他一方面称赞：“边区人民确有良好组织，可为全国效法”一方面表示：要和八路军团结一致，粉碎日军的进攻。延安“鲁艺”还特地准备了一台节目，表示欢迎。
卫立煌这次去延安，还由于晋东、晋北的军事形势，有了新的变化。他为了今后十八集团军的防地问题，特来与中共领导进行协商。
他希望十八集团军从山西调到黄河以西和以南，包括中条山地区。十八集团军方面认为中条山地区，是晋豫锁钥，可以抱黄河两岸之险，卫部应驻重兵于此。十八集团军驻到中条山敌后一带，有利于发挥游击战术，建立敌后根据地，起到牵制和消灭敌人的作用。卫同意了这一意见。他在延安留住三天，在这里他见到八路军的干部对待〖革〗命工作，不计报酬，不计名位，无不是意气风发，信心百倍：延安的〖革〗命人民在生产劳动上、支援前线上表现出热火朝天、干劲十足的情景，给卫立煌留下了深刻的印象，也使他受到了一次〖革〗命的教育。
几天后，卫一行离延安去西安，经渑池、洛阳，从孟津渡河到古城后，再到山西垣曲。总部也就移到垣曲。在此期间，卫立煌部曾一度收复风陵渡，围攻侯马，使从阕乡至柳林两百多里，处于日军炮兵射程之内的陇海铁路线，得以昼夜畅通无阻并解除了潼关所受到的威胁，增加了郑州和大西北之间的运输量。一九三八年夏，朱德总司令路过垣曲，卫立煌率总部人员亲到城外迎接，并组织部队夹道欢迎。朱总司令来到时，卫立煌急步迎上去，两人紧紧握手，互相问好，十分亲切。晚上，朱总留住总部，两人又畅谈到深夜。常常从屋里传出两人爽朗的笑声。第二天，朱总走时，卫又亲自送到黄河渡口。
一九三九年元月，卫立煌受命担任第一战区司令长官，初仍兼第二战区副司令长官、前敌总司令、十四集团军总司令和冀察战区总司令等职。他受命之初就考虑到：一、二两战区幅员辽阔，北起冀察边界，东南到淮水流域，西接陕西，东连华北大平原。在这么一个广大地区里，抗击日军，保卫国家领土与主权的完整和人民生命财产的安全，就必须进一步和共产党领导的八路军密切合作。两年来，他和共产党、八路军领导人接触频繁，而且去过一次延安，并顺利地消除了中条山区国共两军的摩擦。他对蒋介石提出的“攘外必先安内”的反共投降政策，已在实际行动上表示反对。与八路军友好相处、相互支持，
携手抗日，在中条山等战役中均表现出了一位抗日名将应有的民族大义与军事奇才，时任八路军政治部主任的任弼时高度赞扬他对华北保卫战所作出的重要贡献一一“黄河保卫华北，先生保卫黄河”
