1937年10月获释后，任东北军第五十七军第112师第672团上校团长，投身江阴要塞保卫战。12月，参加南京保卫战，全团战没，只身幸免。1938年1月，任第112师第334旅第667团上校团长。春节过后，经刘澜波介绍，张文海、谷牧奉中共中央长江局委派，考察发展万毅入党问题。同年3月，经张谷二人介绍，万毅被吸收为中国共产党特别党员。之后，随部队进驻连云港地区。从5月至7月，率部在孙家山进行了阵地防御和反突击战。并与第672团一起进行了大桅尖战斗。两次战斗击退了日军的进攻，给日军以极大打击，保卫了连云港。同年10月中旬，又转战苏皖地区，袭击了合肥机场。12月，率部夜袭宿迁城。