1937年8月任第七集团军前敌总指挥，驻防南口迎击日军。“七七”卢沟桥抗战爆发后，指挥所部国民革命军第13军在南口地区抗击日军进攻，予敌重创。9月任第20军团军团长兼第13军军长。10月率第13，第52军驰援晋绥。翌年任第九战区第一兵团总司令，3月率部参加台儿庄战役和徐州会战，获国民政府嘉奖，被授予青天白日勋章。6月任第31集团军总司令,先后参加武汉会战、随枣会战。冬兼任南岳游击干部训练班教育长。
     抗战初期，汤恩伯为第二十军团军团长，参加战役包括南口血战、鲁南会战，与及台儿庄会战。1937年汤恩伯率第13军在怀来、南口、居庸关一线与日军血战10日，直到张垣失陷;台儿庄会战中汤持观望态度，是藤县战役而台儿庄战斗不利的罪魁祸首，仅以蒋为马首是瞻，但亦种下他与第五战区司令长官李宗仁之间的不和。之后汤兼任第九战区第一兵团总指挥，第三十一集团军总司令。抗日期间以自己利益为核心，以中央军自持，对友军不积极救援。
     1940年任鲁苏豫皖边区党政分会主任兼边区总司令，第31集团军总司令。1937年至1940年之间初转战华北，多次重击日军。是日军在华北少数有所畏惧之坚强部队，第三十一集团亦被日军称为“汤恩伯部”。1940年后汤恩伯兼任鲁、苏、豫、皖四省战区的行政长官。汤恩伯善于机动，擅长外线攻击敌军侧背，在中央军中战术别具一格，不像其他中央军那么呆板。
     1943年当选为三青团中央委员会干事。

     1944年任黔桂湘三省边区总司令，4月在豫湘桂会战中其40万大军不战而逃，一溃千里，赢得了“长腿将军”的称号。日军攻克的汤恩伯部仓库中，仅面粉便存有100万袋，足够20万军队一年之用。有人尖锐的指出其大溃败的原因是“将失军心，军失民心”。因为贵州方面的张发奎不断告急，而汤恩伯在河南呆不住，9月蒋调其出任黔桂边区总司令。12月独山陷落，陪都震动，急调汤部孙元良29军由四川入贵州解围。
     1945年3月任陆军第3方面军司令官，兼任滇黔战区前线总指挥，率部参加桂柳追击战。5月当选国民党第六届中央执行委员。至1945年7月在广西发动华南大反攻。9月抵上海，主持京沪地区日军受降。1945年日本投降后，奉命抢占京沪地区，收复南京，任南京卫戍总司令、徐州绥靖公署第一兵团司令。
     1946年2月，获“陆军中将加上将衔”4月任京沪卫戍总司令。7月任陆军副总司令兼兼南京警备司令。
     1947年3月兼第1兵团司令官，率部参加对山东解放区的重点进攻。5月孟良崮战役所部整编第74师被全歼。汤被撤职查办。7月代理陆军总司令
     1948年8月任衢州绥靖公署主任。12月升任京沪警备总司令。
     1949年1月任京沪杭警备总司令，奉蒋介石之命凭借长江天险固守京沪杭地区。，4～5月，所部主力在人民解放军发动的渡江战役、上海战役中被歼，残部溃退厦门，5月任国防部厦门指挥所主任。7月任金门厦门防卫部主任，8月任福建省主席兼东南军政长官公署厦门分署主任。10月29日由金门去台湾，任台湾“东南军政长官公署”副长官。
     1950年任“总统府”战略顾问。闲赋在家。
     1953年一月率国民党军事代表团访问日本。
     1954年5月赴日本医治胃疾。6月29日在日本东京庆应大学医院去世。7月葬于台北县南宫之壶山，后迁葬于五指山公墓。病逝后被追晋陆军上将。
     评价
     汤恩伯是少数日本人畏惧的抗日名将。他以南口血战及台儿庄会战被称为“抗日铁汉”，对中国抗日战争的贡献不可磨灭。他在因功晋升、统御大规模部队后，数十万成分复杂的军队单靠对河南省征收粮饷，无力顾全军纪，造成河南平民倒戈帮助日本人占领河南。河南人以“水、旱、蝗、汤，河南四荒”形容河南当时之四大灾害，其中的“汤”就是汤恩伯;依照汤恩伯的宿敌李宗仁在其回忆录的暗示，汤恩伯军队的军纪非常败坏。据称吴国桢亲眼目睹汤恩伯“吃空额”、“盗卖军用汽油”等行为。
     汤恩伯在对共产党的战争后期的表现只能用“糟糕”一词来形容。这不仅加深了中共方面的宿怨，也令他最终失去蒋介石的青睐。因为战争状况受限于大环境，汤恩伯屡战屡败、或不战而败。但汤恩伯唯效忠蒋介石，将国家财物及军队尽可能运往台湾，对台湾亦属有功。长期副手陈大庆在台湾当到中华民国陆军总司令、台湾省政府主席、中华民国国防部长，亦可见汤恩伯的资历。
     汤效忠蒋介石、蒋亦重用汤，汤推荐其恩师陈仪任浙江省主席，蒋照准。但陈仪见大局不利，屡次鼓吹汤投共，动辄骂汤不识时务。汤原不回应，但终将陈投共心态告知蒋，原条件是保陈一命，但事情发展牵涉陈以往恩怨，且蒋欲杀鸡警猴，陈仪又拒绝向蒋认错，汤虽全力营救，但遭到蒋拒见，无法挽回，致陈仪被蒋枪毙，在到达台湾前，他还背下了“卖师求荣”的骂名，并被免去了一切职务，汤仕途亦告终。
     汤恩伯在抗战中期晋升主政河南的一方大员，开始疯狂扩军，建立自己的派系，当时和陈诚，胡宗南并称黄埔系三大派系。由此引起蒋介石的猜忌，河南会战遭到惨败后，蒋介石就开始肢解他的派系，他的嫡系起家部队13军再也不让汤指挥。
     汤恩伯派系的主要将领有：王仲廉，石觉，陈大庆，张雪中等。
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