台兒莊大捷之後，蔣介石激動得有些忘乎所以，以為看到了正麵抗戰的曙光，有一就有二，再來一次唄。於是，也不管台兒莊為什麼取得大捷，接下來還有沒有條件大捷，總之，大肆增兵，想讓李宗仁再打一次大捷。老蔣這不叫增兵，這叫添亂，說實在的，台兒莊能打一勝仗，實際是利用了日軍驕狂之氣，有些偶然。如今日軍挨了一悶棍之後，已然打起了精神，對徐州形成了四麵圍堵之勢，徐州本來就不是個用兵之所，平原地帶，易攻難守，老蔣增兵，無非是給李宗仁撤兵增加難度。滇軍就是這時候老蔣調來的眾多援兵中的一支，既然來了，自然不能空手而回，少不得打一仗，而對手，則是受挫之後勇悍驚人的磯穀師團。
磯穀師團在台兒莊被孫連仲和湯恩伯聯手擊退，這是日軍侵華以來最大的挫折，磯穀廉介當然也知道害臊，知恥而後勇，重新進攻台兒莊，當然氣勢逼人，滇軍著實沒趕上好時候。盧漢將滇軍布置在台兒莊製高點禹王山一帶，這也是這片平原地區唯一的可以據守的高地。說是高地，實際也就是海拔五六百米的小山坡，盧漢的戰略目的是阻止日軍渡過京杭大運河，從而進抵徐州。戰鬥毫無疑問的慘烈，絲毫不亞於台兒莊一期戰事，日軍的老套路，先用大炮轟擊，而後坦克開道，再用步兵衝鋒，三板斧，日軍的戰鬥力毋庸置疑，這是群拚刺刀之前退子彈，寧死不被俘的瘋狗。而滇軍雖然軍械尚可，訓練有素，仍不免顯得吃力。日軍不分晝夜瘋狂地發動進攻，毫無停歇，一波接著一波，滇軍戰得異常辛苦，但是，滇軍的勇悍絲毫不亞於日軍，他們敢於冒著炮火衝鋒，他們爬上坦克，用手榴彈進行自爆，於是，他們頑強頂住了日軍連續不斷的攻擊。滇軍在禹王山堅守20多天，全軍38242人，犧牲13869人，受傷4545人，失蹤430人；各級軍官犧牲177人，受傷380人，其中旅長亡1傷1，團長亡5傷4，營連排長傷亡過半，當然磯穀師團妄圖渡過運河進攻徐州的計劃也落空了。
滇軍的苦戰充分說明老蔣在徐州的增兵實在不夠理智，再打下去，無非是拿將士的生命填坑。於是，李宗仁決定撤兵，放棄徐州——這顯然是理智的。而滇軍三個師在遭遇重大傷亡之後，縮編為5個團，他們接下來的任務就是掩護兄弟部隊撤離徐州，爾後自己向武漢方向轉移——當然，滇軍完成了這個任務。徐州會戰結束之後，龍雲在雲南繼續征兵，新組第58軍和新3軍，與補充完畢的60軍合組第30軍團，由盧漢指揮，投入到接下來打響的武漢會戰中。
在武漢會戰這個抗戰史上最大規模的戰事中，滇軍的任務是配合友軍在富水一線堵擊日軍第9師團的進攻。滇軍雖然是地方雜牌，但卻顯示出了比一般雜牌強悍得多的戰鬥力，在跟第9師團的較量中，他們創造了讓日軍在23天時間裏追擊20公裏的奇跡。23天，20公裏——這是岡村寧次下達的命令，讓日軍一天隻能追擊一公裏不到。滇軍成功將進攻漢北的第9師團堵住，要不是日軍其餘部隊取得了突破，第9師團就該為這一仗的狼狽而去買塊豆腐以謝天皇了。
滇軍在抗戰中的表現足以讓每個國人感到滿意，這樣一支雜牌部隊，能夠在關鍵時刻與日軍進行殊死較量，不計犧牲，屢屢完成任務，除了喝彩，我們還能做什麼呢？在整個抗戰過程中，龍雲對外輸送40萬兵力，犧牲10餘萬，力度之大，損失之重，足以令我們對這位雲南王肅然起敬。但是，滇軍抗戰對於龍雲而言是了卻報國救民之願，功在千秋，名垂青史。然而，雲南被卷入抗戰，對於龍雲而言就有說不出的苦澀了。1942年5月3日，日軍攻占雲南畹町及龍陵，奪取畹町800萬噸戰略物資，6日，日軍渡過怒江，占領怒江以西地區，10日占領騰衝，滇西抗戰於此正式開啟。
抗戰以來，龍雲的態度總體上自然是積極的，但是，龍雲並不總是積極的，他同樣也有消極的時刻——1938年年底汪精衛入滇，活動龍雲，龍雲就表示如日軍撤兵，和談亦無所不可；1940年5月，龍雲要求高蔭槐將滇軍由贛北調往湘西，意圖伺機主和；1944年12月，在日軍占領貴州獨山後，龍雲又曾試圖通電擁護汪偽政府。當然，最終出於種種原因，龍雲終究沒當漢奸。對日本態度搖擺，而對中央軍，龍雲的態度則異常堅定——能拒則拒，滇西抗戰以來，他竭盡所能排擠中央軍，甚至在1945年冒充土匪搶劫美國軍械，惹得老蔣屢次斥其跋扈。