侵华日军占领，沈同衡和其他青年组成救亡宣传队，往内地转移，1937年底抵达武汉。1938年初，沈同衡在周恩来、郭沫若领导的国民政府军事委员会政治部第三厅艺术处美术科从事抗日宣传工作。他和同事在武汉的车站、码头、道路旁绘制宣传抗日的漫画及标语，在武昌黄鹤楼下的一面墙上绘出一幅长30米、高10米的壁画《全民抗战图》。沈同衡还编绘出版了抗战故事连环画。1938年10月，日军攻占武汉，国民政府军事委员会政治部第三厅西撤重庆。1939年1月，沈同衡抵达广西桂林后，在战地文化服务处参与《士兵》、《前敌》的编辑工