1937年七七事变后，王耀武的五十一师（军政部补充第一旅扩编）从汉中调往上海，参加著名的八·一三抗战。
五十一师的作战任务是，坚守在吴淞口附近以罗店为中心的阵地战，阻止日军从海上登陆，打破日军从川沙登陆经罗店直趋嘉定，并切断京沪线的企图，因此罗店的得失关系整个战局。
日军发挥海陆空协同作战的优势，向罗店发动多次猛攻，均被五十一师官兵击退。
王耀武还巧妙地运用夜战，派出部队强袭，先后击毙日军联队队长竹田和炮兵联队队长莫森，受到总部通报表扬，上海数家报纸如《申报》、《大公报》等均报道了五十一师战绩，还刊登了王耀武的照片。
上海抗战进行3个月，双方投入兵力数十万人，战役结局虽然以中国的军队撤退而告终，但也重创了日军，同时挫伤了日军当局制定的“速战速决”灭亡中国的战略计划。
战后将五十一师与五十八师合编成立七十四军，以俞济时为军长，之后七十四军成为国民党抗日劲旅，王耀武成为七十四军的一员主将。
1937年12月初，王耀武率五十一师参加南京保卫战，奉南京卫戍司令长官唐生智的命令，负责淳化镇、牛首山一带的防御。
此役从12月7日开始到13日结束，中国军队顽强地抵抗6天，终因武器悬殊而撤退。
由于战役指挥的失误，中国军队撤退时十分混乱。
王耀武率部队殿后，维持秩序，但他到了长江岸边已经无船过江。
正在非常紧急之时，军长俞济时派副官带一只小火轮来接，才得以脱险。
自此，他和俞济时的关系成为生死之交。
五十一师官兵渡江到达浦口时仅剩4000余人，损失过半，不久即调至湖北沙市休整，补充兵员。
台儿庄会战后，日本人为“报复”，同时试图歼灭中国军队主力，而中国政府方面盲目乐观，也集结主力在徐州，准备决战。
结果日本人进行大迂回，意图一口鲸吞中国军队主力50万人。
日本军14师团也就是土肥原贤二的第十四师团杀入兰封，中国军队则反包围，试图吞掉这个师团。
这个兰封会战，74军参加了，但是没什么值得一提的。
此战中国军队十余师团吞不下土肥原师团，反而差点被日本人合围，被蒋介石称为“千古笑柄”。
但是接下来，就是74军的成名之战：万家岭战役（1938年7月）。
此战役应该算武汉会战的前奏或者组成之一，日本人试图逼近武汉，结果又一次自大，把106师团送进了包围圈。
但是日本人的战斗力和装备都强于中国军队，因此为了解救这个106师团，避免它成为第一个在中国战场被全歼的师团，日本人也下了血本。
在其中，74军先是以58师对抗106师团攻击（这个不是王耀武的战功，因为师长是冯圣法），全师打到只剩下500人，师长向军长俞济时求救，军长手里也没人了，最后给自己留下一个班，把最后一个营派了上去。
这个营上去的时候，日本人已经冲入阵地，当即肉搏，再把日本人赶出去！被日本人打了，那就得打回来。
反击的时候，主攻也还是74军，这就是王耀武的51师了。
第一天攻击，就让日本人伤亡惨重，残部死守张古山。
这个山山势很险，中国军队屡攻不下。
俞济时告诉王耀武：“张古山我不管了！反正两天后，我要上张古山向薛岳（战役指挥官）报告战况！”这个时候旅长张灵甫提议从绝壁上去。
这一提议得到认可，张率部杀上日军阵地，夺取了张古山主阵地。
日本人一度反攻，张就在张古山率部血战，第二次抢回阵地。
这一战张灵甫部杀得尸山血海，一个团长重伤，一个代理团长阵亡，三个营长一死一重伤。
张自己腿部受伤。
这个伤一直没有治好，因此张灵甫后来就有点瘸，人称“张瘸子”，一直到他在孟良崮自杀。
这一战，日本人承认的106师团死伤就有3000人以上。
中国军方面，此一战薛岳成名，74军成名，张灵甫也成名，被编成了话剧，以真名出现在剧中。
此战后，王耀武成为74军副军长，依然兼任51师师长。
1939年6月，蒋介石亲自召见这位黄埔三期的名将，提升他为74军军长（俞济时升任第十集团军副总司令）。
至此，抗日名将王耀武能够完全指挥一军，独立完成战术任务。
1939年9月，王耀武率七十四军参加第一次长沙会战，奉命拦截向长沙进犯的日军106师团，激战于赣北重镇高安，王耀武运用反包围的战术，首先切断敌之退路，以五十一师为主攻部队，经过3天激战，于9月22日收复高安城。
这一胜利有力地配合了长沙会战的主战场，为夺取整个会战的胜利创造了条件。
第一次长沙会战历时1个月，日军出动10万人，并有海空军配合，中国军队出动约20万人，前后在3个战场进行鏖战。
由于中国军队同仇敌忾，英勇作战，迫使日方返回原先阵地，取得武汉会战后的第一次胜利.