刘右臂中弹负伤。此时第2师与25师同在第17军（军长徐庭瑶）建制之下，稍后在1937年时，又以此两师为基干成立了52军。军旅生涯共负伤五次，其中第二次受伤在中原大战时，伤癒后，头发脱落，从此「刘光头」之名响亮于世。抗战初期，先后参加台儿庄战役、武汉会战和瑞昌防守战。1937年9、10月保定战役时升任团长。1939年9月，刘率部参加长沙会战，升旅长兼长沙警备司令。1941年52军由湖南至广西入云南，负责滇南守备；此时握有52军人事权的老军长关麟征打破学历资历的界限，将刘玉章提升为52军第二师师