负责指挥西安市内的军事行动。事变后，调任渭北警备司令、第十七师师长。七七事变后，赵寿山率领第十七师参加太原会战。10月，率部参加娘子关保卫战，激战十三昼夜。1938年，在高平关设伏，打击日军。同年4月，第十七师、第五二九旅与八路军、决死队发起晋东南1938年战役，先后攻克长治、晋城、沁水等县。同年夏升任第三十八军军长，8月率部进驻平陆县，在中条山地区坚持抗日战争，击败日军十一次扫荡。1942年，在赵寿山的申请下，中共中央批准接收赵寿山为中共特别党员。1943年冬，蒋介石调赵寿山到重庆中训团受训。1944