日中戦争（抗日戦争）が勃発すると、王耀武は部隊を率いて最前線で日本軍と戦うことになる。南京防衛戦、武漢会戦、第1次長沙会戦などに参戦した。1940年（民国29年）、第74軍軍長に昇進し上高会戦に参戦、ここで軍功をあげて国民政府から星形栄誉旗を授与されている。その後も第2次・第3次長沙会戦、浙贛会戦、鄂西会戦、常徳会戦などに参戦した。