1936年12月12日，發生了西安事變，龐炳勛曾發表通電，討伐張學良、楊虎城。蔣介石被釋放回南京，途經洛陽時，龐炳勛率部開往山西運城駐防，監視張學良、楊虎城部隊的行動，防止其東渡黃河。

在運城駐防的半年時間，沒有發生過戰事，生活比較平靜。經過多年征戰的龐炳勛對這種安靜的生活非常留戀，一心想長期留駐山西，因此派他的秘書找到晉軍將領徐永昌，由他向閻錫山提出，讓龐炳勛兼任一地方性職務，這樣可以留駐山西。但是，盧溝橋的炮聲打破了龐炳勛過安靜生活的夢想。

1937年7月7日，發生了盧溝橋事變，從而爆發了全面的抗日戰爭。

8月，龐炳勛奉命開赴抗日前線。當時正值酷暑季節，驕陽似火，龐炳勛率領他的部隊從石家莊下車后，沿滄石公路徒步向滄縣開進，沿途受到人民群眾的慰問和歡迎，使廣大愛國官兵受到極大的鼓舞。9月18日，國民黨第二十九軍的防線被突破，日軍繼續南進，龐炳勛率部在滄縣以北的姚官屯一線對日軍磯谷第十師團進行阻擊。戰況空前慘烈，堅守7天7夜，殺傷大量日軍，遲滯了日軍的進攻。龐炳勛部也死傷慘重，有一個團只剩下300多名士兵，營以下軍官也傷亡很大。因此，不得不撤出戰斗，轉進至江蘇的碭山(1949年后隸屬安徽)。

12月，龐炳勛部調歸徐州第五戰區，由李宗仁指揮，補充了一些武器彈藥后，調往海州，擔負海防任務。龐升任軍團長。

1938年2月中旬，龐炳勛部奉調臨沂，參加臺兒莊會戰，阻止坂垣師團南下。3月10日，坂垣師團在飛機大炮和坦克的支援下，向臨沂猛烈撲來，龐炳勛部的陣地一片火海。廣大愛國官兵不怕流血犧牲，打退了日軍的多次沖鋒，頑強地堅守陣地，頂住了坂垣師團的進攻。對于這次阻敵，第五戰區司令長官李宗仁在他的回憶錄中寫道：“敵軍窮數日的反復沖殺，傷亡枕藉，竟不能越雷池一步。當時隨軍在徐州一帶觀戰的中外記者與友邦武官不下數十人，大家都想不到一支最優秀的‘皇軍’竟受挫于一不見經傳的支那‘雜牌’部隊。一時中外哄傳，彩聲四起。”3月14日凌晨，龐炳勛部與援軍張自忠部聯合發起反擊，激戰五天五夜，至3月 18日將坂垣師團趕至莒縣，沿途日軍尸橫遍野。反擊作戰結束后，張自忠軍他調，龐炳勛繼續固守臨沂。

3月25日，坂垣師團經過休整卷土重來，猛攻臨沂。龐炳勛為了縮短戰線，將部隊撤至臨沂近郊，與日軍再次浴血奮戰，張自忠率五十九軍回師增援，另有五十七軍的一個旅和湯恩伯的一個騎兵團亦增援臨沂。3月30日拂曉，龐、張兩軍在增援部隊的配合下，全線發起反擊，又將坂垣師團趕出30余里，解了臨沂之圍。這是臨沂之戰的第二次勝利。

這次作戰結束后，張自忠的五十九軍和增援部隊全部調走，臨沂仍由龐炳勛孤軍堅守。經過一個多月的艱苦奮戰，龐炳勛部損失慘重，全部兵力還不足一個旅。

4月19日，坂垣師團又撲向臨沂城，有一處城墻被日軍的飛機炸毀，日軍突進城內，龐軍守城部隊在居民的幫助下與日軍展開白刃戰。這時臺兒莊會戰已經勝利結束。因此，龐炳勛奉命撤出臨沂，開往隴海路附近的郯城以南布防，并與占領臨沂后繼續南下的坂垣師團再次發生激戰。4月26日，龐軍陣地由四十六軍接防，龐炳勛部西調沛縣休整。5月，徐州失守，龐部陷入日軍重圍之中，經全力突圍，所部損失慘重，開到平漢線以西舞陽進行整編。

1939年初，龐炳勛派馬法五帶李振清旅越過黃泛區，向豫東的睢陽、太康一帶出擊，并先后在大于集和常營與日軍作戰，阻止日軍南下中原。經過數次作戰，殺傷了部分日軍，并繳獲大批戰利品，受到國民黨政府通令嘉獎。

3月，龐炳勛部奉調華北敵后戰場，名為抗日，實為與八路軍爭奪地盤。蔣介石為了加強龐炳勛的實力，將一○六師歸屬四十軍。這樣龐炳勛的四十軍結束了長期以來只轄一個師的歷史。龐炳勛率領四十軍軍部及兩個師從漯河出發，經洛陽以西的澠池縣境北渡黃河，進入山西境內，經過垣曲、陽城到達晉城一帶。

5月，日軍從太原分路南下，其中一路攻陷長治逼近晉城，龐炳勛部進行了抵抗，但沒能阻止日軍的進攻，晉城失守。隨后，龐炳勛率部在晉城以南，晉(城)博(愛)公路線上的常平附近，與沿晉博公路北上的日軍發生戰斗。當時龐炳勛的部隊還沒有換裝，仍然穿著棉衣，又適逢下雨，棉衣被雨水打濕，且又系山地作戰，部隊行動不便，傷亡慘重，不得不退出戰斗，轉移到陵川一帶。日軍撤退以后又回到晉城駐防。 9月，龐炳勛升任第二十四集團軍總司令。