1937年7月7日，卢沟桥事变爆发，日军大举人侵华北。8月12日，国民政府在南京召开国防会议，决定以军事委员会为全国抗战的最高统率部，蒋介石为委员长。在军事委员会下设军令、军政、经济、政略、宣传、组训6个部，分别主管有关事宜。
8月13日，日军在上海及其周围地区发动了大规模军事进攻，国民党投入了70余万人的兵力，与日军进行了长达3个月之久的淞沪会战。在此期间，根据国共两党达成的协议，8月22日，国民政府军事委员会将中国工农红军改编为国民党军第八路军(9月11日改称为第18集团军），朱德、彭德怀分任正、副总指挥；10月12日，国民政府军事委员会将南方红军游击队统一改编为新编第4军（俗称新四军），叶挺、项英分任正、副军长。
从此，国共两党共同投入到民族抗战之中。11月，淞沪抗战失败和上海沦陷后，国民政府军事委员会为准备长期抗战和适应作战的需要，决定放弃以武汉为军事指挥中心，于11月上旬宣布迁都重庆。此后，到1938年1月，国民政府军事委员会先后将军事委员会下辖的6部取消，改设军令、军政、军训、政治4部。
在此期间，为适应对日作战的需要，国民政府军事委员会在指挥作战的同时，先后对军队进行整编，将全国战场划分为8个战区，编组了4个战区级的预备军团，先后共计编制有21个集团军、25个军团、92个军、188个师、44个独立旅，形成了战区、集团军、军团、军、师、旅、团多级指挥体制。
抗日战争初期国民党军编制序列（1938年8月—12月）
第一战区 司令官 蒋介石（兼）
程潜
副司令官 鹿钟麟
第1集团军 总司令 宋哲元
第2集团军 总司令 刘峙
第20集团军 总司令 商震
第2战区 司令官 阎锡山
副司令官 黄紹竑 卫立煌
第6集团军 总司令 杨爱源
第7集团军 总司令 傅作义
第14集团军 总司令 卫立煌
第18集团军 总司令 朱德
第22集团军 总司令 邓锡侯
第3战区 司令官 蒋介石 顾祝同
第8集团军 总司令 张发奎
第9集团军 总司令 朱绍良
第10集团军 总司令 刘建绪
第15集团军 总司令 陈诚
第19集团军 总司令 薛岳
第21集团军 总司令 廖磊
第4战区 司令官 冯玉祥
副司令官 余汉谋
第4集团军 总司令 蒋鼎文
第12集团军 总司令 余汉谋
第5战区 司令官 李宗仁
副司令官 韩复榘
第3集团军 总司令 韩复榘
第5集团军 总司令 顾祝同
第6战区 司令官 冯玉祥
副司令官 鹿钟麟
第1集团军
第12军
第67军
骑兵第3军
第7战区 司令官 刘湘
副司令官 陈诚
第23集团军 总司令 刘湘
第8战区 司令官 蒋介石
副司令官 朱绍良
第17集团军 总司令 马鸿逵
第1预备军团
司令官 李宗仁
副司令官 白崇禧
第7军团 军团长 廖磊
第8军团 军团长 夏威
第9军团 军团长 李品仙
第2预备军团
司令官 刘湘
副司令官 邓锡侯
第4军团 军团长 邓锡侯
第5军团 军团长 刘文辉
直辖7个军
第3预备军团
司令官 龙云
副司令官 薛岳
第6军团 军团长 杨森
直辖3个军
第4预备军团
司令官 何成浚
副司令官 徐源泉
第2 军团 军团长 徐源泉
第10军团 军团长 谭道源
第12军团 军团长 张钫
第14军团 军团长 冯钦哉
另辖11个军
抗日战争初期，蒋介石及其李宗仁、白崇禧、卫立煌等将领先后组织、指挥和参与了太原保卫战、南京战役、台儿庄战役、武汉会战等战役的作战。在这些战役中，中国军队虽然进行了奋勇抵抗，但由于蒋介石实行的是片面抗战路线和单线军事防御的战略方针，使国民党军队节节溃败。仅一年又三个月的时间，中国的七大城市——北平、天津、上海、徐州、南京、广州、武汉先后沦陷。
1938年11月20日，蒋介石在衡阳南岳召开军事会议，部署第二期抗战，制定了指导方针，提出：“连续发动有限度之攻势与反击，以牵制消耗敌人，策应敌后之游击队，加强敌后方之控制与扰袭，化敌人后方为前方，迫敌局促于点线，阻止其全面统治与物资掠夺，粉碎其以华制华，以战养战之企图；
同时，抽出部队轮流整训，强化战力，准备总反攻。”根据已经变化的战场形势，蒋介石重新调整战区：第1战区，卫立煌任司令长官，辖河南及安徽之一部；第2战区，阎锡山任司令长官，辖山西及陕西一部；第3战区，顾祝同任司令长官，辖苏南皖南及闽浙两省；
第4战区，张发奎任司令长官，辖两广；第5战区，李宗仁任司令长官，辖皖北鄂北及豫南;第8战区，朱绍良任司令长官，辖甘宁青及绥远之一部；第9战区，蒋鼎文任司令长官，辖陕西；苏鲁战区，于学忠任总司令，辖苏北及山东之一部;冀察战区，鹿钟麟任总司令,辖冀察方面。
此后，蒋介石坐镇陪都重庆，先后指挥了南昌会战、随（县）枣（阳）会战、第一次长沙会战、桂南会战和1939年冬季攻势作战。1941年6月，苏德战争爆发后，日本准备抽调兵力对苏作战，在中国战场上的兵力相对减弱，对国民党各主要战区进行了有限规模的战役及战术性进攻。
蒋介石又先后指挥了豫南会战、上高会战、晋南会战(亦称中条山会战）、第二次长沙会战、第三次长沙会战。1941年12月，太平洋战争爆发后，蒋介石就任中国战区最髙统帅之职，为配合盟军作战，1942年3月，蒋介石还派罗卓英任中国远征军总司令，率军进人缅甸协助英军抗日，打通了滇缅公路和中印公路。同年5月，中国军队为阻击日军南下进行浙赣会战，但此次会战最终也以失败告终，日军打通了浙赣线，并摧毁了这些地区的国民党军飞机场。
