1937年抗日战争全面爆发后，南京国民政府任命阎锡山为第二战区司令长官，统领晋绥抗日军事全权。晋绥军共编第6、第7两个集团军，傅作义任第7集团军总司令。8月，傅率部参加平绥路东段作战。由于第68军军长刘汝明作战不力，加之傅部动作迟缓，未能给在南口、居庸关、延庆、怀来一线的汤恩伯部有力支援，平绥路东段各据点于8月下旬相继失守。9月，日军板垣第5师团由宣化南下攻取广灵，傅奉命在雁门关布防。日军以雁门易守难攻，倾主力向平型关进攻，傅部奉命驰赴平型关接替第6集团军。当日军向傅部猛攻时，适八路军115师伏击板垣师团预备队和辎重队，歼敌千余人，给傅部以有力支援。日军在平型关受挫后，由东条英机察哈尔派遣兵团突破茹越口。傅向阎锡山建议由晋军主力围歼孤军深入的东条部，然后向板垣师团反攻。阎为保存晋军实力，拒绝采纳，致使东条部占领繁峙县砂河镇，拊平型关我军侧背。9月底，傅部被迫向五台山、代县、涡阳转移，旋奉命开赴忻口地区御敌。10月，忻口会战开始。傅作义指挥董其武218旅夜袭敌板垣司令部前线指挥所，并派部救援友军。忻口会战延续到10月下旬，历时23天，敌人遭受重创，被阻于忻口不能前进。此时，娘子关失守，太原告急，傅部奉命向太原集结。
1937年11月2日，阎锡山召集高级将领军事会议，提出保卫太原，依城野战的计划。实际上，阎为保存自己的实力，已将晋军主力调往临汾等地，因此对于“保卫太原”，晋军将领个个缄默不语。傅作义虽知其不可为，但他以国家民族利益为重，挺身而出，毅然请命。11月3日兼任太原守备司令部司令。
当时，傅部主力不过两个旅，虽训练有素，有一定的实战经验，但几个月来的南北转战，伤亡过半。仓促中扩充了部分新兵，又缺乏训练。6日，日军第5师团开始进攻太原城郊，驻防城外的军队纷纷溃退，倚城野战计划完全落空，傅部陷于独守孤城之境。7日，晋北和晋东的日军会合，在数十架飞机和数百门大炮及坦克掩护下，连续攻城。傅作义下定舍身报国的决心，激励部下英勇杀敌。并给荣河老家写信，表示”只要一息尚存，誓与日寇血战到底，为国捐躯，义无反顾”。并以“生，我所欲也，义，亦我所欲也，二者不可兼得，舍生而取义者也”，告慰国人和家人。
在傅作义誓死如归的精神鼓舞下，全军将士咸抱决心，奋勇抗敌。8日敌突入城内，展开激烈巷战。黄昏后，接蒋介石撤退电令，傅作义率部突围，撤至石楼一带。太原守城之战，掩护了卫立煌、孙连仲、王靖国、陈长捷等部安全转移。日军虽侵占了太原，但也死伤惨重，无力继续南犯。
1937年12月升任第2战区北路军总司令部（辖第35军、绥远省游击军）上将总司令兼第35军（辖第73师、第101师）军长。
与共相处
1937年底，傅作义受任第2战区北路军总司令，所部35军扩编为二师一旅，移防晋西北柳林镇，整军经武，以待再战。此时，傅部驻防区和陕北区八路军120师贺龙部隔河相望，双方信使往来不断。交换情报，建立联防。傅作义赞成共产党的全民抗战的主张，赞赏许多共产党员的品格和才华，对周恩来十分信服，多次拜会过毛泽东主席，并同王若飞、南汉宸等结为知友。后来傅部移驻河曲，还邀请八路军程子华、南汉宸及牺盟会的续范亭等举行会谈和聚餐，交流整军抗战的经验。毛泽东主席赠送他政治书籍和论述抗战的著作，对傅部尔后的整军抗战起了积极的影响。通过120师政委关向应、政治部主任甘泗淇的帮助，延安陕北公学和抗大向35军输送了大批优秀学员，使傅部的抗日力量得到充实。
1938年初，傅作义建立了北路军政治工作委员会，自兼主任。总部设立政治指导室，指派周北峰为委员兼秘书，军队各级相应设立政治工作机构，其中许多负责人由延安派遣的干部担任。傅还制定了《北路军政治工作守则》，规定废除打骂士兵；实行经济公开；活跃士兵文化生活；帮助劳苦百姓，提倡军民合作；实行军政统一等等；制定了《十项纪律》，对行军、宿营、作战等方面的群众纪律作了具体规定。这些做法，密切了军民关系，受到老百姓的称赞，显示了国共合作，团结抗战的气氛。但却遭到阎锡山的忌恨，攻击傅“把部队带赤化了”，“35军已成为七路半了”。并密电蒋介石，提出要将傅作义撤换。
时年12月，南京国民政府任命傅作义为第八战区副司令长官兼第二战区北路军总司令，傅从此摆脱了阎锡山的控制，返回绥远。他设长官部于五原，积极整饬军、政，除设立“动员委员会”，改组省政府外，1939年5月在百川堡亲自举办“抗战建国讨论会”（简称“抗建会”），轮训各级军政干部。参加人员有国民党员、共产党员和无党派人士。先后举办五期，历时3月有余，对促进军政密切配合，壮大抗战力量起了积极作用。但也因此引起国民党当局的责难，派中央监察委员姚大海从重庆到百川堡，以“考察”为名，要傅排除共产党。傅作义出于无奈，只得将各军政机构中大部分共产党员送回延安。
五原大捷
1939年12月，日军南犯长沙，为牵制和吸引华北日军兵力于塞北，傅作义主动请战，于19日夜，以35军为主力，配以骑7师，长途奔袭敌之重要战略据点——包头。大同各地日军调集重兵反扑。傅部完成牵制任务后撤回河套防区。此役往返行程近千里，历时半月，歼灭包头守敌两个团及援敌300至400人，毁敌坦克4辆。汽车60余辆。
1940年春，日军狂言“膺惩傅作义”，从平绥、同蒲沿线抽调三万余人，汽车千余辆，由黑田重德师团长指挥，向绥西河套地区疯狂进犯。2月3日，侵占五原。傅作义又趁敌主力东撤后，于3月20日夜率部对盘踞五原之敌发起猛攻，血战两昼夜，收复五原。此役击毙水川一夫中将，大桥少佐等日军300余，全歼以桑原为首的特务机关，俘浅治庆太郎等50余人，歼灭王英伪军两个师，获战利品甚多。血战中，傅部也遭到重大牺牲，有的连剩下不到10人，营、连、排长伤亡过半。至此，连续150余天的奇袭包头、会战绥西、收复五原三战役，以五原大捷告终。五原大捷创国民党战区收复失地之先例。各党派团体纷纷发电祝贺，各大报刊发表文章，交相称赞。
1940年4月5日，国民政府军事委员会致电傅作义嘉勉并为请勋。1940年4月17日，国民政府继蒋介石之后，将第二枚最高荣誉奖章“国光勋章”授予傅。但傅作义认为，“五原大捷，乃所部全体官兵艰苦抗战，奋勇抗战的功绩，个人不应领此勋奖”，而加以拒绝。
主政绥远
1940年4月，傅作义患伤寒病赴重庆医治。7月返回陕坝，为实现“政治民主、经济平等、言论自由”，着手对绥省政治、经济进行若干改革。
傅作义自1931年接任绥远省主席后，便向国民党三届四中全会提出“移民、实边、发展生产、巩固国防”案，并励精图治，整军经武，消解匪患，整顿税收、金融，疏浚河渠，发展工农业生产。1935年4月被南京国民政府授予二级陆军上将。至1937年，七七抗战时，绥远省社会基本安定，经济有一定程度的恢复，财政税收增加，库存现金84万元，白银210万两，部队的装备和给养也有了改善，为绥远抗战准备了条件。
1942年5月4日，傅作义召集军政高级干部会，颁发职官十二戒条，规定：“绝不贪污腐化”，“绝不吸食鸦片烟、赌博”，“绝不蒙上欺下、弄权欺世”，“绝不接受人民下级馈赠”，“绝不与商人来往、不兼营商业”等等，违者给以惩罚。
1943年提出“治军治水并重”的口号，发放农田水利贷款，大兴水利。长官都成立了水利指挥部，统一调配军工、民工。军工所修干渠达1700里，支渠超过1万里，水浇地面积达1000万亩以上，一时有“塞上江南”的美称。…
