军分会委员；1932年8月担任华北军第1军团长兼第51军军长（原东北军第1军）。1935年4月晋升陆军二级上将，6月调任陕甘剿匪总司令，11月任甘肃省主席，当选为中国国民党第5届中央执行委员。12月任西北剿匪第2路军总司令；1936年12月参与张学良的西安事变。1937年5月10日，江苏绥靖主任于学忠通电就职，6月13日抵淮阴上任。5月12日，于学忠部第五十一军自安徽移防江苏。抗日战争爆发后，任第3集团军副总司令，奉命率部守卫山东海防。1938年1月任第3集团军总司令，3月参加淮河战役、台儿庄战役。