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全面抗战爆发时，陈诚正在庐山举办军官训练团。奉蒋介石之召，于1937年8月15日飞回南京，在用两天时间对淞沪战事进行考察后，对蒋介石提出不能不战，并自告奋勇愿负指挥淞沪之战责任。由于上海为第三战区，蒋介石即任命陈诚为第三战区前敌总指挥兼第十五集团军总司令，并增调部队赴沪参战。蒋介石自兼第三战区司令长官。
陈诚到达上海时，日军已由狮子林、石洞口、川沙口、张华滨附近强行登陆，正向宝山、罗店、浏河一线进犯。陈诚与朱绍良、张发奎兵分三路，分左中右与敌人展开激战。但日军增援不绝，9月中旬，中国军队退守北站、江湾、庙行、罗店、浏河口一线，转入防守。而日军增兵已达20万人，火力异常凶猛，中国军队被迫陆续撤退，11月初日军在强大炮火配合下从杭州湾登陆，蒋介石电话询问陈诚如何处置，陈诚提出要调整战线。但为时已晚，日军迅速分路直扑松江，对淞沪守军实行迂回包抄。但蒋介石还是命令陈诚再坚持三天，结果使淞沪守军完全陷于腹背受敌状态。8日晚，第三战区司令部下令撤退，11日上海沦陷。
淞沪抗战坚持了3个月之久，使日军主力转移到了东战场，避免了日军由平津南下，出洛阳以塞潼关之口，趋武汉以断国民党军队后路的危局，使狂妄的日本“三个月灭亡中国”的美梦彻底破产。此役蒋介石出动了相当数量的嫡系部队，初步以实际行动表明了抗战态度。陈诚的嫡系部队也在此战役中作出了重大牺牲，其嫡系六师黄维部在苏州一带经过惨烈血战，有的团已丧失殆尽，后又奉命掩护大军撤退，再遭巨大牺牲。这一做法颇得各部淞沪守军的好评。陈诚本人在历时3个月之久的沪战期间，每晚都是和衣而眠，而且至多睡三四个小时，头发长得像山里野人。作为前线最高指挥官，淞沪抗战陈诚是功不可没的。但在国民党片面抗战方针和消极防御思想影响下，陈诚的指挥偏重于单纯防御“固守阵地打死仗”，对淞沪抗战失利负有一定责任。
抗战期间，陈诚指挥的第二重大战役是武汉会战。武汉是中国内地水陆交通枢纽，上海、南京沦陷后，国民党已宣布迁都重庆，但军政要人、在野各党派以及各社会名流大多到了武汉，武汉成为了抗战临时的军政中心，也成为了日军进攻目标。此时陈诚担任武汉卫戍总司令部总司令、第九战区司令长官，负责武汉保卫战的指挥工作。同时担任军事委员会政治部部长，与文化界人士及中共代表合作，一定程度上推动了抗战文化的发展。按军政合一原则，陈诚还兼任湖北省政府主席。
此时，日军已先后攻占徐州、开封、安庆等地，以35万兵力分五路向西入侵，日本海军同时溯江而上，直逼武汉。陈诚率中国军队约一万人的总兵力，组织四个作战兵团展开保卫战。在九宫山、幕府山、大别山等地区构筑阵地，根据蒋介石“战而不失”的指导方针，以消耗战术阻击敌人。在瑞昌、武宁、田家镇、万家岭、大沽等地，先后与日军展开激烈的战斗。经过4个月节节阻击抵抗后，同年10月日军侵占信阳、大冶、鄂城、黄陂等地后，陈诚奉命按原计划将部队全部撤出武汉。
在此期间，作为第二次国共合作的重要象征，陈诚在主持政治部工作方面，在政治部的人员构成上表现出了较为开明与进步的姿态，首先请共产党人周恩来，第三党黄琪翔出任政治部副主任，并三次邀请郭沫若出任政治部下属第三厅厅长。由于有共产党以及进步人士参加政治部工作，在发动全民族抗战，保卫武汉的过程中，政治部发挥了重要作用。比如能及时如实宣传国民党将士和八路军英勇抗日的事迹，使武汉成为发动全民族抗战的中心；在台儿庄大捷传来之时，武汉三镇约50万人参加了庆祝游行，使抗日声威大震；在“七七事变”一周年之际，郭沫若等人又组织了抗日献金活动，募得捐款100多万元，全部购买了药品和食物送到前线，大大鼓舞了前线将士抗战到底的决心。这些工作的开展与陈诚的支持是分不开的，陈诚在国民党中的政治声望也由此大大提高。
武汉沦陷后，陈诚赴渝专任政治部长之职，同时多次担任钦差大臣，到前线协助指挥作战、督战。1939年9月，日军会攻长沙。陈诚与副总长白崇禧赶赴长沙，协助薛岳指挥作战。出发前，他曾向蒋介石请示长沙“守”与“不守”，蒋回答“不守”。因此一到长沙，陈诚便转达了蒋介石的旨意。薛岳却执意坚守，并说：“长沙不守，军人之职责何在？”陈诚曾一夜之间打了九次电话，命令薛岳退出长沙，薛不以为然。陈诚担心彼此争论下去贻误战机，向薛岳了解部队情况后与白崇禧商议并作出决定，遂命薛岳反攻。与此同时，将薛岳反击的决心及当时情况报告蒋介石。结果，取得了湘北抗战的第一次胜利。
随后，为加强湘鄂防务，陈诚兼任第六战区司令长官；次年1月又飞往桂林，协助第四战区司令长官张发奎指挥桂南会战，取得昆仑关大捷。6月又先后参与指挥了粤北、宜昌等战役。1941年9月，为策应长沙会战，陈诚发动荆宜攻势取得成功，再次受到蒋介石嘉奖。
1940年9月，陈诚回任湖北省主席，亲理省政，取得一定绩效。1943年3月，奉蒋介石之命出任中国远征军司令长官，飞赴云南楚雄就任。陈诚为提升远征军战斗力，从云南前线部队实际情况出发，制定了“远征军作战部队整备计划”，命令各部依计划实施。同时创办军事委员会驻滇干部培训团，在美方协助下，有计划地对各种专业干部进行培训，为全面整训部队奠定了基础。陈诚同时制定远征计划，准备当年8月底完成一切准备工作，然后与英美盟军发动攻势，以恢复中印缅水陆交通及协助英印盟军恢复缅甸。但是，由于鄂西会战的发生和监军作战计划的调整，使他与远征军反攻失之交臂。
时值1943年5月，陈诚正雄心勃勃准备远征军大反攻，日寇对鄂西大举进攻，直逼四川，第六战区代司令孙元良一时没了主张，蒋介石立刻电召陈诚。陈诚只好放下远征军的反攻计划，直飞恩施指挥阻击，半个多月后便取得了“鄂西大捷”，歼敌25700多人，炸毁敌机45架，汽车75辆，船艇122艘，仓库5座，日军全线崩溃。
返回云南后，陈诚统一了远征军的编制，10月再次制定远征军反攻计划，但在10月中旬胃病发作，几度昏迷，已不能坚持正常工作，于11月底赴重庆休养。
1944年6月，日寇兵临潼关。为解西北之急，蒋介石决定在汉中设立第一战区，由陈诚出任司令长官兼冀鲁战区总司令，所辖6省区，节制9个集团军、23个军，实力为全国各战区司令之首。
1944年11月，蒋介石已完成由陈诚取代何应钦的历史过渡，即任命陈诚接任何应钦的军政部长，不久安排何应钦出任同盟国中国战区中国陆军总司令。
抗战八年，陈诚作为主战派在抗日前线度过了绝大部分时间，为中华民族抵御外侮做出了重大贡献。