日军展开激战。1938年（民国27年）7月，他升任第51军副军长（兼任第114师师长）。同年8月，他参加武汉会战。1939年（民国28年）3月，他升任第51军军长，同年9月任山东省政府委员。1942年（民国31年）1月，他升任山东省政府主席，同年8月任国民政府行政院水利委员会委员。1945年（民国34年）1月，他升任第十战区副司令长官，6月获授陆军中将衔。
败北与晩年.抗日战争结束后，牟中珩任第2绥靖区副司令官。1948年（民国37年）9月，他在济南战役中败给中国人民解放军而被俘虏