晋升陆军少将全面接手23师，1936年1月扶正为23师师长，下辖67旅、68旅。民国26年4月2日晋陆军中将。1937年抗战爆发后，23师从关中临潼西调至山东德州沿津埔铁路防守阻碍日军南下，为沧州战役。在河北防御被瓦解后，1938年4月，23师投入徐州会战，佈署在山东省菏泽、郓城一带阻滞日军南下。1938年5月9日，日本帝国陆军攻击68旅守备的郓城，防御遭攻破后撤菏泽。5月14日，日军突破23师菏泽守备，李必蕃在作战中负伤，残余部队也撤退至菏泽王庄，后因伤势恶化，决意自杀殉国，得年46岁。