师与新独四旅合编为预备第一军，陈长捷为军长，在代县集结待命。平型关战役时在鹞子沟和团城口与日军血战12个昼夜。1937年10月预1军改称第61军（辖第72师），仍任中将军长。1937年11月15日晋任陆军中将。1939年3月9日升任第13集团军（总司令王靖国）中将副总司令兼第61军军长。1939年5月26日调升第6集团军（辖第61军、暂编第1军）中将总司令兼第四行署主任。1940年，阎锡山与蒋介石矛盾激化，阎锡山怀疑陈长捷与国民党中央军来往频繁，解除他的军职。陈长捷率一个警卫营到绥远投奔第八战区副司令长