侵犯热河，继犯长城，遂率部参加长城抗战，初战于古北口，后调至滦东组织防御。次年，晋升为一一七师师长。
进驻延安.1934年春，随张学良南下镇压共产党武装。由于东北军多次为红军挫败损失惨重，张学良于1936年4月在洛川与中共方面周恩来会谈，与红军达成协定。此时吴克仁已升任六十七军副军长，随王以哲进驻延安，协助王以哲执行张学良与红军达成的协定，负责对陕北红军输送弹药物资，保护红军人员来往的安全。西安事变爆发后，吴克仁曾努力避免了东北军的内乱。1937年2月，东北军调离陕甘，东移