1937年8月18日，陈诚奉蒋介石电召抵达南京，策定抗战计划与战斗序列。第二天，与熊天翼赴沪视察，于20日返回南京。蒋当即发布陈诚为第三战区前敌总指挥，兼第十五集团军总司令，并增调部队赴沪参战。8月22日晚，日军以大将松井石根为司令官，率第三、十一师团等部，在吴淞、川沙强行登陆。陈诚率第十五集团军进行阻击。他以八十七师之一部及教导总队之一团、上海保安总；团一部向张华浜登陆之敌攻击，令在吴福线之第十一师及在杨行、宝山方面的第九十八师转向狮子林、川沙口方面之敌攻击，用汽车输送在昆山、吴县附近集结的第六十七师向罗店挺进，并急调正向常熟、福山前进之第十四师，向太仓、罗店方面前进，以求会歼登陆之敌。但各部赶到战场时，日军主力已登陆成功。看到敌军增援不绝，未能将敌压迫在江中而歼灭，已失去战役初期的主动权，便建议转移阵地，逐次抵抗。9月17日，中国军队即退守北站、江湾、庙行、罗店、浏河口一线，转入防守。

1937年9月21日，中央军委会调整第三战区作战部队。陈诚率第十五、第十九两集团军组成左翼作战军。第二天，日军为确保其侧背安全，在战车、火炮掩护下，向浏罗公路猛扑。中国守军奋力抵抗，死伤惨重

1937年10月11日，日军向蕴藻滨中央作战军发起攻击，以控制大场、南翔，切断闸北、江湾、庙行中央作战军归路。这时，中国军队的第五军，及第一七一师、一七三师、一七四师和一七六师，正陆续向上海输送。于是，陈诚对这次作战提出了三个意见：第一是以第五路军由蕴藻滨北岸，同时以两个师由蕴藻滨南岸，各以一部由南岸及罗嘉公路以北取攻势，对敌实行歼灭战。第二是以第五路军据守蕴藻滨南岸，以第十六军和第六十六军之一部，再另抽调几个师，由蕴藻滨北岸突击，将渡过蕴藻滨南岸之敌包围歼灭。第三是暂取守势，待第五路军集中后，再相机出击。经统帅部决定采用第三条。但因情况所迫，乃决定乘敌攻击疲惫之机，突予猛击，以求击破渡过蕴藻滨南岸之敌。

1937年10月25日晚，开始总攻。经过三日激战，撤至苏州河南岸到小南翔一线。

1938年1月，南京政府迁至武汉，湖北成为四川大后方的门户，陈诚任湖北省主席、武汉卫戍司令和第六战区司令长官，负责武汉防务。在国共第二次合作的抗日统一战线中，陈诚兼任武汉中央政府革命军事委员会政治部部长，当时周恩来为副部长。

南京失守后，国民党的军政领导机关大部分迁移武汉。这年春，成立武汉卫戍总司令部，陈诚任总司令。同时，还奉命兼任军事委员会总政治部部长、湖北省主席、航空委员会委员、中央训练委员会主任委员、三民主义青年团中央团部书记长、中央训练团教育长等职。国民党内部称他是“蒋介石的替身”、“第二号人物”。

武汉沦陷后，陈诚将九战区军事交由薛岳代理，自己赴渝请训。他向蒋介石报告说：“以兼职过多，不仅招致物议，抑且有误事公。请就可能，畀以专职，或可无大遗误。”当即受蒋面谕：“以办理政治部事宜为主，鄂省主席则令严立三兼代。”但实际上，仍不时奉派赴湘、粤、桂等地指挥战事。

1939年9月，日军以赣北、鄂南两路策应湘北主力军，会攻长沙。陈诚奉命和白崇禧抵湘，协助薛岳指挥作战。出发前，他曾提出长沙“守”与“不守”两条，奉批“不守”。因此，一到达渌口，就将蒋介石的旨意转告给薛岳。薛不以为然，说：“长沙不守，军人之职责何在?”虽一夜之间，九次电话命薛退出长沙，而薛不听。陈诚怕彼此争论过久有碍戎机，在向薛询问部队的情况后，乃一面与白商定，命薛岳反攻；一面将薛之决心及当时情况报告蒋介石。取得了湘北抗战的第一次胜利。

抗战期间，陈诚先后还兼珞珈山军训团教育长、航空委员会、中央训I练委员会主任委员、军委会战时工作干部训练第一团副团长、三民主义青年团书记和中央训练团教育长。在抗日作战中，所部取得上高战役、湖北战役的胜利。

1943年，陈诚任中国远征军司令长官，同年五月，离滇返鄂，指挥对日作战，取得鄂西大捷。1944年11月，任军政部部长。1945年1月，兼任后勤部总司令。民国三1946年6月，任国防部参谋总长兼海军总司令。

1946年秋，经陈诚策划，把隆昌、綦江、杭州等地国防部新闻训练班结业的青年军复员军人编成国防部人民服务总队。蒋介石在美国的支持下，发动了空前规模的反共内战，调集数百万大军向解放区发动全面进攻。十月十七日，陈诚在北平向中外记者宣称：“三个月至五个月内解决共产党解放区问题”。然而，全面进攻却没有进展。

1947年8月，蒋介石又委任他为东北行辕主任，派往危机四伏的东北战场，指挥国民党军先后向山东、东北解放区进攻，均被击溃。