1939年12月16日晨，杜聿明奉命率第五军担任对邕宾路的正面攻击，意在先行击破昆仑关及八塘附近之敌。杜召集团长以上会议，宣读作战部署：以郑洞国荣誉第一师从正面进攻；戴安澜第二百师为总预备队；邱清泉新编第二十二师迂回敌后进出南宁以北；向六塘守敌攻击，以截断南宁、昆仑关交通联络，孤立昆仑关之敌。第二天，白崇禧和陈诚到谭蓬村第五军司令部视察。陈严令杜要如期攻克昆仑关，直下南宁。
1939年12月18日拂晓，反攻开始。在战车、炮火掩护下，杜聿明第五军对昆仑关守敌进行了猛烈的攻击。戴安
澜师与日寇展开白刃战，首先占领了仙女山。当晚各部乘胜进行夜袭，相继占领了老毛岭、万福村、441高地，最后占领了昆仑关。杜聿明在此期间，采取“要塞式攻击法”，逐步缩小包围圈，一口一口地吃掉敌人。杜聿明命令第二百师副师长彭璧生率部从公路左侧越过昆仑关，形成包围之势；邱清泉师把战车埋伏在公路两旁的丛林地带；郑洞国师则加强右翼攻势，再度进入昆仑关内敌军纵深阵地，将敌指挥部及炮兵阵地摧毁。战斗整整打了十八天，于31日以中国军队获重大胜利而告结束，史称昆仑关大捷。
1941年2月，杜聿明作为中缅印马军事考察团成员，赴缅甸、印度、马来西亚作军事考察。
1942年初，日军第十五军饭田祥二郎率四个师团分两路向缅甸进攻。中国派出远征军，杜聿明为第一路副司令长官。中国和英国军队集结后，策定作战计划，分三路南下迎击日军。杜聿明第五军为中路军，于3月9日接替英缅军在同古的防务。
1942年3月20日，同古诸战开始，一连数日，敌陆、空配合并与炮兵、战车协同进攻。至26日，正面敌人以其三个联队向同古西北角猛攻，第二百师第六团阵地被突破；27日，新编第二十二师到达同古以北，与敌遭遇，双方彻夜对峙。28日，日军北守南攻，在同古北修筑工事，企图阻止新编第二十二师前进，而集中主力猛攻第二百师，并施放糜烂性毒气，第二百师官兵伤亡甚重。杜聿明即指挥新二十二师对当面之敌施行猛攻，进占南阳车站，以解第二百师之围，但日军凭借附近建筑物固守。两军反复争夺，激战至30日。
1942年3月30日晚，杜命令新二十二师在斯瓦河南北两岸构筑数个梯形阵地，两侧埋伏阻击兵，阵地正面埋设地雷。新二十二师采用这种战术，运用灵活，虚虚实实，使日军捉摸不透。远征军先攻继守，用逐次抵抗战术与日军五个联队激战达十二次之多，迟滞达半月之久，敌军每前进一步，都需要付出人员装备极大消耗的代价，达到了以少胜多，以劣制优的目的，成为抗战史上一罕见的战例。
1942年4月13日，英军要求中国军队接替英缅军西路防区，企图浑战撤走，史迪威、罗卓英重新部署作战方案，准备在曼德勒会战，命令第五军、第六十六军分布在长达三百公里的平(满纳)曼(德勒)公路上。杜聿明认为这样分散兵力，会被敌人各个击破，一再申述棠吉的重要性，主张要么退守棠吉，守住腊戍前方门户；要么就在平满纳打下去，反对无准备的曼德勒会战，但未受到史、罗的采纳，杜只得从命，放弃了棠吉。于是日军重新进占棠吉，并直取腊戍，从西南面截断了集结于曼德勒准备大战的中国主力军后方，在曼的第五军，不得不向伊洛瓦底江西岸撤退。从此，远征军走上了惨败境地。
1942年3月1日，蒋介石曾亲自到缅甸腊戍，指挥远征军入缅。在面对“归史迪威将军指挥”的这个命令时，杜聿明曾亲自问过蒋介石：“如果史迪威的命令不符合您的决策时，应如何办？”蒋介石说：“你打电报向我请示再说。” 杜决心按照蒋介石的命令执行，向国境撤退。 而孙立人则率新38师向西撤退到印度，后编为驻印军。 杜聿明的远征军分三路撤退，他本人率新22师为一路，第5军96师为一路，负责殿后的200师为第三路。
1945年4月初，蒋介石突然电召杜聿明去重庆。要求以武力解除龙云的全部武装，限龙云于3日内到重庆。并问杜有何意见。他一口就承担了这个任务。蒋介石听了很高兴，要杜即刻回昆明作准备。可是，何应钦认为，劝龙云自动辞职是可能的，龙不会顽固恋栈，这样解决可免于动武。杜聿明也表明同意。于是，何和杜从多方劝龙云自动辞职，历经三个月之久，龙云却毫无退意。
1945年8月9日，蒋介石再次电召杜聿明到重庆，面授机宜。蒋指示说：“你这次回去做解决龙云的准备工作，除军事准备外，还要对云南的通讯、交通及各机场作周密的布置，防止龙云逃跑。”8月11日，杜聿明飞回昆明，立即进行解决龙云的准备工作。在军事方面，杜假借到沦陷区大城市解除日本武装作准各为掩护，对排长以上军官亲自教授沙盘模拟演习，对龙云在昆明的兵力、驻地作了调查研究，拟定了对策，以期在短时间内将龙云的武装彻底解决。昆明通全省的电话、电报、公路、铁路及飞机场，也制定了严密控制办法，使龙云与外界隔绝，无法逃走，只留五华山弹丸之地和一营卫队，让龙云自己决定去从。对于如何投送蒋介石命令，说服龙云就范也作了准备。这些工作秘密进行了一个月之久，才告完成。
1945年
9月27日，蒋介石派王叔铭秘密到昆明，送亲笔信给杜聿明，告知他日内就要颁布免除龙云在云南军事政治本兼各职的命令，调龙云为军事委员会军事参议院院长，并指示杜将飞机、大炮、坦克一齐准备好，万一龙云不服从命令，就集中火力轰击五华山，要杜“绝对保证龙云的生命安全”。当时杜聿明考虑到，在政治上自己和龙云是不能并立的，可是在私人感情方面，二人相处很好，对于龙云加以危害的事绝不能做，而且，万一龙云在事件中死去，社会舆论必然加罪于己。于是，杜连夜复蒋一封信，大意是：龙云只有一个五华山弹丸之地，不足为患，轰击五华山，会波及云南大学、西南联大的安全，引起学潮，在政治上造成极端不良影响。蒋最怕闹学潮，只得复信同意杜的意见，不使用大炮轰击及飞机轰炸。
1945年9月29日晚，杜聿明即赴昆明市北郊岗头村准备好的指挥所内，召集团长以上干部及新任云南省民政厅厅长、代理省主席李宗黄等开会，下达行动命令，并将解决龙云的命令送交美军一份，将中央任免龙云本兼各职的命令送交龙云。
1945年9月30日凌晨5时，杜部都到达进攻位置，并将军委会命令送给龙云各部队。事出龙云各部队意外，都猝不及防。仅五十多分钟，就结束了战斗，仅剩下一座五华山。
1945年10月14日，杜聿明忽然接到蒋的命令，要他到重庆去。杜15日飞抵重庆。这次蒋氏接见，与过去大不相同，对杜优礼有加，还很有兴趣地询问了解决龙云的经过。继而，蒋吞吞吐吐地对杜说：“你解决龙云对国家立了功，可是得罪了龙云。你应该为国家背过，任劳任怨。我表面上先公布将你撤职查办的命令，以后再任你别的职务。”杜很了解蒋的心理，就慷慨地说：“只要于国家有利，个人不计较任何名利地位。”蒋听了很高兴。16日，蒋果然发表命令：“杜聿明在云南处理失当，着即撤职查办。调任关麟征为云南警备总司令。”
解放战争
1945年10月18日，杜聿明被撤销昆明防守总司令及第五集团军总司令之职后，离开昆明回到重庆。同一天，就发表了任命杜为东北保安司令长官的命令。
杜聿明上任后第四天，蒋介石对杜当面指示，要与苏联接洽，接收东北领土主权。杜经过近十天与苏军联络，发现苏军已宣布自东北撤军，营口苏军已经离去，被东北民主联军接收。为此，杜便向蒋建议：要接收东北非用武力不能解决。
1945年11月5日，杜急飞重庆向蒋报告，请求迅速抽调兵力，由美舰掩护从葫芦岛或营口强行登陆。
秦皇岛，率先向东北解放区挑衅，指挥第十三军、第五十二军向榆锦进攻。14日，杜下达向山海关进攻的命令，决心在东北民主联军主力部队未到达之前，夺取要点，分兵两路继续向绥中追击前进，之后，占领兴城、锦西、葫芦岛三个要点。…
