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。