参加台儿庄战役，与友军合力击溃日军第十师团濑谷支队，后参加了武汉会战。1938年底，升任第九十八军军长，此后调任新编第十一军（后改番号为第五军）副军长兼荣誉第一师师长，他加强训练、严明纪律，使部队的战斗力得以提升。1939年12月，第五军开赴桂南参加昆仑关战役，担负主攻任务，郑洞国亲临火线指挥，连续攻克罗塘、411高地、界首等重要据点，并两次攻入昆仑关，击毙第二十一旅团长中村正雄少将。战争结束后，升任新编第十一军军长。参加枣宜会战之后，担负宜昌以西、宜都以北地区的防御任务。
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