1937年（民国26年）4月、于学忠は第51軍を率いて江蘇省に向かい、江蘇省綏靖公署主任に任ぜられた。7月、山東省の海防を担当することになり、翌月、第3集団軍副総司令に任ぜられた。翌1938年（民国27年）1月には同集団軍総司令に昇進し（同年中に第5集団軍総司令となる）、台児荘戦役（台児荘の戦い）や武漢会戦を戦う。しかし戦闘を経ても、東北軍の于学忠は中央直系ではないとして、補給で差別を加えるなどされ、次第に于学忠の軍は消耗していった。それでも1939年（民国28年）には蘇魯戦区総司令となり、1942年（民国30年）には魯南遊撃総司令も兼任している。1944年（民国33年）3月、前線から退き、軍事参議院副院長に異動した。