抗日战争爆发后的1937年（民国26年）8月，调任第4预备军副司令官，9月任第2军团军团长。翌年1月，任第26集团军总司令兼第八战区副司令长官，参加徐州会战、武汉会战。武汉会战之际，负责北方战线，但擅自撤退而违反军纪，将蒋介石、李宗仁激怒，一度被羁押在西安。后获释，属下军队在武汉会战中被日军歼灭。失意的徐源泉不再握有军事实权。1939年（民国28年）5月，改任军事参议院参议。1945年（民国34年）5月，当选中国国民党第6届中央执行委员。翌年7月退役。1948年（民国37年），任立法院立法委员。第二次