趙壽山的家鄉在陝西省戶縣，他的少年時期，正是中國積貧積弱，麵臨被帝國主義瓜分之際，青年時期，他便立誌報效祖國，抱著“富國強兵”的願望，考進陝西陸軍小學，辛亥革命後轉入陸軍測量學校，投入反對北洋軍閥鬥爭的革命洪流之中。
1924年，陝西靖國軍反對北洋軍閥失敗，楊虎城堅持靖國軍旗幟，退至陝北“三邊”改編為陝北鎮守使署步兵團進行整訓。趙壽山非常欽佩楊虎城不屈不撓的革命精神，當年春天，應楊虎城之邀來到楊虎城的部隊，從軍事教官做起，幫助楊虎城訓練部隊。後來，楊虎城率領的部隊不斷壯大，發展成為國民革命軍第17路軍。趙壽山在這支部隊裏度過了20年的時光，同楊虎城將軍結下了手足情誼。
趙壽山來到楊虎城部，正值大革命的浪潮風起雲湧，馮玉祥推翻了直係曹錕的北京政府，楊虎城部被編為國民軍第3軍第3師，由陝北出師關中與陝督吳新田部作戰，趙壽山擔任楊虎城部的教導營營長，隨部隊英勇作戰。
1926年4月，北洋軍閥吳佩孚指使劉鎮華的鎮嵩軍圍攻西安。趙壽山隨楊虎城堅守西安8個月，進行了艱苦的戰鬥，打退了劉鎮華部的數次圍攻。西安解圍後，楊虎城部改編為國民軍聯軍第10軍，因趙壽山作戰有功，楊虎城提拔他擔任第2師混成團團長。
1930年4月，蔣介石、馮玉祥、閻錫山之間展開軍閥混戰，西北各地狼煙四起，楊虎城被蔣介石任命為第17路軍總指揮，率領部隊向西安進發。奉楊虎城之命，趙壽山率兩個營留守南陽，任後方留守司令。正在此時，楊虎城西進受阻，急調趙壽山增援。趙壽山率部隊一路西進，迅速攻占洛陽龍門，直抵陝西潼關。為確保順利占領潼關，趙壽山率部繞道潼關南太峪鎮，繼出潼關西十裏吊橋，迫使駐守潼關的馮係宋哲元部倉皇北撤朝邑，趙壽山一舉拿下陝西東大門潼關，保證了楊虎城率部向西安進軍。潼關之役，趙壽山成為楊虎城部的開路先鋒，深受楊虎城的讚賞。10月，楊虎城擔任陝西省政府主席，任命趙壽山為第17路軍17師51旅旅長，同時命令趙壽山率部進駐漢中，兼任漢中綏靖區司令，肅清地方勢力，成為鎮守漢中的地方要員。
1935年，當中國工農紅軍第四方麵軍由鄂豫皖轉戰陝南到達漢中時，趙壽山不願與紅軍作戰，對蔣介石“攘外安內”政策不滿，借看病為由，離開部隊到平、津、滬等地遊曆，在與各地的共產黨人接觸中，受到革命思想的影響，讚同共產黨提出的“停止內戰，一致抗日”的主張。
1936年10月，趙壽山回到陝西，向楊虎城將軍作了多次彙報，並提交《抗日意見書》指出：“非團結不足以言抗日，非抗日不足以言救亡”，“隻有停止內戰，一致抗日，才是救國唯一出路。”趙壽山主張聯合紅軍、東北軍共同促蔣抗日，建議如蔣來西安，必要時可把他扣起來逼其抗日，這對楊虎城後來聯合張學良發動西安事變產生了一定影響。在全民族奮起抗戰的大背景下，楊虎城將軍決定籌辦軍官訓練大隊並親任大隊長，為準備抗日培訓骨幹，同時任命趙壽山擔任副大隊長，作為他的助手，負責培訓具體事宜。
12月12日，在中華民族命運的轉折關頭，楊虎城聯手張學良毅然發動震驚中外的“西安事變”。趙壽山被楊虎城任命為總指揮，全權指揮西安方麵的軍事行動。根據楊虎城的命令，趙壽山指揮孔從洲的部隊，迅速消滅了蔣介石在西安的軍事力量，拘捕了國民黨中央在西安的全部軍政大員，解除了西安反動武裝，維持了西安的社會秩序。趙壽山在西安事變中的作用，不但得到楊虎城的信任，也受到參與解決西安事變的中共中央副主席周恩來的讚賞。
蔣介石在張學良的護送下回到南京後，背信棄義，扣留了張學良，引起東北軍內部矛盾激化。在蔣介石的威逼下，第17路軍被縮編為第38軍，不久楊虎城被迫辭去所擔負的所有職務，準備出國考察。已擔任第38軍17師師長的趙壽山，親自趕到上海送楊虎城出國，托楊的秘書在上船後轉告楊虎城將軍：“此去前途如何，難以逆料。但是不管天變地變，雙十二舉義初衷不能變，抗日立場不能變，楊先生堅持的正義主張不可動搖。”楊虎城歸國後即遭蔣介石關押，趙壽山每次去重慶，都要設法打聽楊虎城的近況。全國解放後，趙壽山常說：“未能救出楊先生，是我終生憾事！”