九一八事變後，日軍進犯熱河，長城抗戰開始，身為八十四師師長的高桂滋堅守冷口與喜峰口結合部，高桂滋率部打退日軍多次進攻，時上下齊心，鬥誌高昂， 自晝達夜，浴血殺敵。日軍雖武器精良，但仍舊無法攻破陣地。
高桂滋也是一名陝西冷娃。
日軍無法攻占高桂滋部陣地，轉而攻向喜峰口趙登禹陣地，同樣遭受重創。 爾後，日軍不斷增兵，迂回包抄，冷口與喜峰口後方陣地失守，再堅守失去意義， 並會有全軍覆滅的危險，高桂滋和趙登禹開始撤退。毛澤東曾稱讚高桂滋說：“抗日之役，光榮曆史國人同佩。”
這事實上已經是高桂滋與日軍的第二次交手了，早在1928年的濟南慘案中， 高桂滋就與日軍交手過，日軍同樣沒有占到便宜。
高桂滋與日軍第三次交手，到了全麵抗戰時期。
全麵抗戰前，高桂滋率軍駐守陝北綏德。抗戰開始後的第三天，1937年7月 9日，高桂滋就主動請繆，並率部東渡黃河，開赴抗日前線。在山西大同，高桂滋被任命為十七軍軍長，赴南口一帶阻擊日軍。不久，又移防察哈爾省張北一帶。
在察哈爾和河北省，高桂滋都有上佳表現。
然後，高桂滋席不暇暖，衣不解帶，又參加了平型關戰役。
在平型關戰役中，高桂滋孤軍堅守團城口，戰至彈盡糧絕，援兵無望，所有人都持槍上戰場，甚至連騎兵也當成了步兵使用，最後因為傷亡太大，不得不撤離戰場。一位當年受傷的營長，後來回憶說，戰到最後，陣地上再沒有能夠站起來的人，全營戰士非死即傷。
在接下來的忻口會戰中，高桂滋又擔任正麵防守。在戰爭最危急的關頭，高桂滋率眾在戰壕裏高舉手榴彈一齊擲出，才將日軍擊退。堅守平遙古城，又予敵重創。
後來，高桂滋改屬第十八集團軍指揮。
和趙壽山、武士敏一樣，八路軍的遊擊戰讓高桂滋大開眼界，他抽調了數十名優秀軍官去八路軍那裏學習遊擊戰。在抗戰前夕，八路軍的前身，也就是紅軍， 打了十年遊擊戰，積累了豐富的經驗，這些經驗讓每一名參加學習的國民黨軍隊將官都震撼不已。“敵進我退，敵駐我擾，敵疲我打，敵退我追。”這短短的十六個字寫盡了遊擊戰的精髓，然而，八路軍精妙的遊擊戰術又是這十六個字無法包括的。高桂滋也常常邀請八路軍指戰員來到十七軍中講課，這其中就包括八路軍的副總參謀長左權，他是紅軍時代林彪的參謀長，八路軍中有著黃埔軍校和蘇聯伏龍芝軍校兩個文憑的著名將軍，他精通陣地戰，而遊擊戰更為擅長。
高桂滋駐紮在霍縣的時候，有一次偵察到日軍矢野旅團長的哥哥要出城活動， 那時候，城牆之內是日軍占領區，而城牆之外的廣闊地區是中國軍隊的天下。中國軍隊在城牆之外，如魚入大海，日軍在城牆之內，捉襟見肘。盡管當時日軍占領了大半個中國，但那隻是理論上占領，占領的是中國的城市，而中國是一個農業國家，廣闊的農村在某種意義上說，才代表真正的中國，所以，兵力稀少的日軍， 並沒有占領中國，他們所占領的大城市，反而成為了他們的包揪，甩掉吧，又不甘心；不甩掉吧，又背不動。“用農村包圍城市，最後奪取城市”，這是中國戰場的硬道理。
高桂滋得悉矢野旅團長的哥哥隻帶著四名警衛出城，立即設伏，將五個鬼子全部活捉。日酋矢野驚恐不已，派飛機拿著大喇叭在高桂滋駐地上空喊話，說他的哥哥不是參戰人員，隻是一名地質學家，請示釋放，並答應用十萬元酬謝。高桂滋置之不理，將俘虜押解到第一戰區長官部。
精習遊擊戰的高桂滋率眾奔襲在晉南山區，遊刃有餘，長袖善舞，他們“兩次燒敵營房，三打張蘭鎮，五次攻打馬壁村，七次襲擊霍縣城”。與共產黨領導的犧盟會相互配合，破壞同蒲鐵路，使這條日軍的運輸線不能通車長達21天，並截擊日寇火車20多輛，讓日寇苦不堪言。霍縣日酋來信說：“貴軍與皇軍作戰， 應正大光明，約定時間、地點，以決雌雄，才是大國軍隊風度，而偷偷摸摸之襲擊， 雖然取勝，何以服人？以後貴軍作戰，應先期示之，我皇軍決不爽約。”
日酋的來信實在可笑，這是20世紀的現代化戰爭，不是歐洲中世紀的決鬥， 這個日酋根本就不懂得什麼叫做戰爭藝術，日軍派來的軍官都是這樣的飯桶，難怪在敵後戰場上，他們總是被中國軍隊捉弄得團團轉。
由當年的十七軍軍官齊天然口述，苗滋庶整理的《回憶太嶽山區抗日遊擊隊》 十萬男兒血中條山保衛戰（1938-1941） 中，形象地描述了當年十七軍遊擊戰的情形。除了遊擊戰外，高桂滋領導的十七軍還敢硬碰硬與日軍廝殺。這篇文章中寫道：
1939年1月至3月底，我軍除了多次出動小部隊遊擊於敵人後方， 牽製敵軍外，還進行了兩次較大規模的運動戰。1月28日，霍縣敵矢野旅團長指揮日軍2000餘人，附山炮四門，向東犯我沙窩裏防地，經我502團艾捷三團長和501團嶽英賢團長帶兵合擊，大戰3日，最終潰敗。
2月1日，敵穀口師團長親來霍縣坐鎮，再次集兵2800多人。附山炮八門，野炮兩門，分四路向我楊家莊根據地進攻……並有敵機助戰，
曾兩次使用毒氣。我軍節節抵抗，並派出小部隊和便衣隊潛入敵後隙擾亂和迷惑敵人。經過7天激戰，卒將強敵趕出我楊家莊根據地。兩大戰役共10天，斃敵鈴木大隊長，打死打傷敵500餘人，擊毀敵炮兩門，俘獲敵戰馬、狀驟20多匹。我有少數官兵中毒，傷亡10多人。
一年後，局桂滋駐守中條山。
武士敏和高桂滋，不愧為抗日名將，在中條山戰役前，他們的表現都非常突出， 在中條山戰役時，在友軍一擊即潰的困境中，他們的表現照樣可圈可點。