1938年（民国二十七年），配属第九战区，参加武汉会战。1939年（民国二十八年）3月，升任第九战区副司令长官，辅佐司令长官薛岳，进行了第一次、第二次长沙会战。10月，转任第六战区副司令长官，翌年2月升任第六战区司令长官，驻扎衡阳。同年中，商震被召还重庆，任中央军事委员会办公厅主任。翌年10月，兼任中央军事委员会外事局局长。1941年，代表中国军事考察团于5月抵达新加坡，考察各处防御工事。1943年（民国三十二年），随蒋介石出席开罗会议。1944年（民国三十三年）3月，奉派担任中国驻美国军事代表团团长，