投身抗日 獻計獻策
“七?七”事變前夕，以周恩來為首的中共中央代表團抵達南京，何敘甫與代表團成員多有接觸。“七?七”事變爆發後，國共合作抗日的局麵初步形成，中共代表葉劍英希望何敘甫多介紹一些朋友給他們，以擴大抗日民族統一戰線的影響。何敘甫於是便把吳石和吳的好友——時任立法委員的張維翰（後曾為台灣監察院院長）、時任兩淮鹽運使的繆秋傑（後為國民政府鹽務總局局長）等介紹給了周恩來、葉劍英、李克農、博古等中共中央代表。早在北伐戰爭期間，吳石任北伐軍參謀部作戰科長時，就與周恩來結識。這次與中共代表接觸後，吳石對中共有了更真切的認識，對共產黨堅決抗日的態度深表敬佩。此時吳石對共產黨人是有好感的，他讀過毛澤東的《論持久戰》等軍事著作。
吳石對日本的政治、軍事等非常了解，被大家公認為“日本通”。1937年7月抗日戰爭全麵爆發。8月20日，國民黨政府為領導抗戰，成立了軍事委員會大本營。大本營的職權為統率陸海空軍，及指導全民力求我中華民族之永久生存和國家主權領土之完整，對於侵犯我主權領土與企圖毀滅我民族生存之敵國倭寇，決以武力解決之。大本營最高領導為大元帥，由蔣介石親自擔任。下設參謀總長、副參謀總長各1人，程潛為參謀總長，其職權為指揮大本位各部、輔助大元帥策劃全局；白崇禧為副參謀總長。大本營還設立秘書廳，以張群為秘書長，陳布雷為副秘書長。大本營對作戰進行指導，以達成“持久戰”為主旨，因此將軍令、政略、財政、經濟、宣傳、訓練劃為6個部，分擔任務。
作為軍界公認的“日本通”的吳石，進入大本營第一部第二組擔任副組長、代組長（組長徐祖貽未到任）兼第一處處長，負責對日作戰的情報工作。他在參謀部時即憑借多年積累的資料和研究心得，編撰了有關日本軍隊“作戰之判斷”、“海空軍總動員”、“兵力番號編製”，此時把向主要將領介紹的《藍皮書》再充實翻印，彌補了國民黨對日軍事情報儲備的不足。
大本營成立後，為動員組織全國抗戰，頒發《國軍作戰指導計劃》、《第三戰區作戰指導計劃訓令稿》等訓令，同時將全國劃分為五個戰區，組建四個預備軍和若幹個集團軍，指揮了華北方麵的抗戰和淞滬會戰等。
1937年8月9日，駐上海日本海軍陸戰隊中尉大山勇夫率士兵齋藤要藏，駕駛軍用汽車強行衝擊虹橋中國軍用機場，被機場衛兵擊斃。事件發生後，中國上海當局當即與日方交涉，要求以外交方式解決。但日軍無理要求中國軍隊撤離上海、拆除軍事設施，同時，向上海增派軍隊。8月13日，日軍便以租界和停泊在黃浦江中的日艦為基地，對上海發動了大規模進攻。上海中國駐軍奮起抵抗，在上海和全國人民的支持下，開始了曆時3個月之久的淞滬抗戰。
“八?一三”上海抗戰的事實證明，日本侵略軍的兵力組合、攻擊指向，大多如《藍皮書》所判斷。吳石基於強烈的民族意識，較早洞察日本軍閥亡我之野心，其未雨綢繆，苦心孤詣的準備，至此方顯功效。
11月12日，上海失陷，長達三個月的淞滬會戰告終。接著，日軍分三路進逼南京。12月5日，日軍進攻南京近郊。一周後，日軍進攻南京城，南京失守。
上海和南京淪陷後，大本營移至武漢，第二組改為軍令部第二廳，吳石任副廳長兼第一處處長。武漢戰役期間，蔣介石非常看重他這個熟悉日本軍事情報的人，每周都召見他，向他谘詢日軍動態。1938年7月武漢會戰，陳誠指揮第九戰區、第五戰區部隊迎戰日軍十二個師團。8月，第二廳在洛伽山舉辦“戰地情報參謀訓練班”，吳石主持其主要事務。吳石在對學員的講話中指出，中國軍隊在作戰中缺乏情報和保密素養，所用四字頭密碼早已被日軍破譯，這是造成戰場被動的一個原因。
吳石還特地邀請周恩來和葉劍英去講課。何敘甫的長子何世庸當時就以第二十集團軍上尉聯絡參謀的身份參加了這個訓練班，吳石與訓練班學員一起親聆了周恩來作的形勢報告和葉劍英講的遊擊戰爭大課。
1937年8月30日，蔣介石決定，仍以軍事委員會為抗戰最高統帥部，不另設大本營，原大本營所設各部均轉隸軍事委員會。這樣，大本營完成了它的使命後於1938年1月正式撤銷。
1938年11月下旬，在國民政府軍事委員會召開的南嶽軍事會議上，決定設桂林、天水兩行營，分別統一指揮南北兩戰場作戰。桂林行營主任是白崇禧，參謀長是林蔚，吳石擔任了桂林行營參謀處處長。桂林行營轄二、四、六、九戰區，吳石以一腔抗日熱忱，承擔了大量運籌協調規劃的幕僚任務。
1939年11月末至12月初，日寇攻占南寧和地扼桂越交通線的要隘昆侖關，揭開了長達一年的桂南會戰。初期，由白崇禧指揮，以第五軍為主力，四個集團軍配合作戰，於當年12月31日收複廣西昆侖關，取得了抗戰以來攻堅戰的首次勝利，擊斃日軍第五師團第二十一旅團長中村正雄，擊斃日軍4000餘人。作為桂林行營參謀處長的吳石，幫助行營指揮部出謀劃策，為取得收複昆侖關的勝利發揮了自己應有的作用。
在抗戰的幾年裏，吳石先後擔任大本營第一部第二組副組長、軍事委員會委員、桂林行營參謀處長、柳州第四戰區參謀長、軍政部主任參謀兼部長辦公室主任等要職。但他卻經常流露出一種憤懣、失望的情緒。一方麵，他想在抗日戰爭中紮紮實實地做一些事情，渴望自己在軍事上能學有所用、用有所成。然而他有超眾的軍事才華，卻沒能讓他當指揮官；另一方麵，他又逐漸看透了國民黨內部的腐敗，官場的鉤心鬥角，意識到自己無論怎樣努力都無法改變這個局麵。失望、苦悶之中，他也在思考自己的人生與出路。
故友相逢 棄暗投明
吳石與吳仲禧是福建同鄉，他們同上軍校，一起投奔孫中山領導的革命，後來的曆程卻不盡相同。吳仲禧在北伐戰爭中曾跟隨張發奎在國民革命軍第四軍任團長、師參謀長、師長，參加過汀泗橋戰役、賀勝橋和武昌戰役，屢立戰功。1937年7月“盧溝橋事變”前夕，吳仲禧秘密加入中國共產黨。根據黨的指示，利用國民黨高級將官的特殊身份，進行地下工作。
1940年初，吳石在柳州與相隔20餘年的老友吳仲禧相見，當時吳石擔任白崇禧的顧問，吳仲禧表麵的職務是在韶關任國民黨第四戰區長官部軍務處處長和韶關警備司令。
相隔如此之久，兩位少年時的老友重逢，自然是格外親切。吳石毫無顧忌地向吳仲禧發了一通牢騷和憤慨。吳仲禧自然也和他以誠相見，除了沒有暴露自己共產黨人身份之外，其它對時局和人事的看法也都沒有什麼保留。兩人越談越投機，吳石對吳仲禧說：“抗戰以來我軍屢戰屢敗的主要原因是將帥無能、紀律廢弛。例如，陳誠隻受過中級軍事教育，卻委以重任，提拔之快，中外罕見。陳誠所用的參謀長楊傑，更是隻會自吹自擂，毫無真才實學和作戰經驗，往往總部作戰命令還未下達，部隊已轉移陣地。可是陳誠一直頤指氣使，獨斷獨行，像保衛武漢這樣的大作戰計劃，連白健生（白崇禧）也沒有參加討論過。又如，湯恩柏、劉峙也是屢戰屢敗，屢敗屢升的。”
最後，吳石講到自己：“我本人學習、研究軍事20多年，寫過幾本軍事著作，翻譯過幾本兵學名著，在陸大教授時有幾套講稿，但一直沒有機會帶兵上戰場，深感遺憾。有人譏諷我為‘書呆’，但卻又誰都不肯給我以帶兵的實權。”吳石提到，白崇禧器重他的學識，但也沒給他什麼實權，大概是因為他專心學術，不會搞逢迎拍馬、官場應酬那一套吧！