1937年，日本发动侵华战争之后，唐淮源受命于国家危难之际，升任国民党陆军第3军军长。
1937年9月19日，农历8月15，在山西省阳泉火车站，朱德与唐淮源这两位身经百战、出生入死的将军见面了。他俩在中秋月下的一列火车上，把酒临风，回忆了28年来的同学、战友、盟友、弟兄之情，共同吟唱了苏轼的《中秋词》：“明月几时有？把酒问青天……人有悲欢离合，月有阴晴圆缺，此事古难全。但愿人长久，千里共婵娟。”两位将军挥泪惜别，分赴抗战前线。
唐淮源所部转战燕赵，挥师冀晋，参与冀西、晋东、晋南诸役，在华北战场上唐淮源率部抗日，沉着果毅，屡挫顽敌，威镇华北。
1938年夏，唐淮源所率的第3军，奉命由华北战场转入山西省中条山作战。
中条山为横亘于太行、华山之间的一条大山脉，南临黄河，北通临汾，东连太行山，西北与吕梁山相望，绵延300里，故名“中条”。那里地势险要，属闻喜、夏县区域，东西北三面皆为日寇所据，地理条件属“背水战”地形，易守，难攻，也难退。如取攻势，则置之死地而后生；取守势，则置之死地终必死。它既是地势险要的天然屏障，又是进入关中的重要通道，自古以来，为兵家必争之地。
国民党为了保卫这一战略要地，调集了2个集团军的7个整军，1个改编旅，1个游击队，约16万人防守中条山。唐淮源所部第3军，隶属第5集团军，为滇南健儿组成，驻守在中条山中部闻喜、夏县以东区域。
自1938年10月开始，日寇为了夺取中条山这一战略要地，组织不少强悍劲旅，车轮式地接连发动了13次大规模的进攻。每当前方情况险恶时，唐淮源总是亲自到前方去督战，哪里危急就出现在哪里。要是前线来人或来电话报告阵地守不住时，唐军长回答是：“我没兵派给你，你要是守不住，你下来，让我带军部勤杂官兵接你的防。”就这样，不知挽回了多少危局。
在三四年的时间里，唐淮源率抗日军民英勇奋战，在械劣、粮缺、弹乏等险恶条件下屡挫顽寇，数度实施反击，日军每次都败北而退。
一次作战之前，两军对垒，日军为了摸清我军底细，依仗其空中优势，派出侦察机到我军驻地低空盘旋侦察，集团军指挥部怕暴露我军事目标，严令不准开枪。当日寇的侦察机飞临第3军上空时，超低空飞行，肆无忌惮。第3军的一位营长，忍无可忍，奋不顾身，挺身而出，抬着机枪向敌机猛烈射击。敌人毫无准备，根本没有想到会遭到如此独特的攻击，敌机被击中，翻了几个跟斗，坠毁在地，我军将士一片欢呼。敌机上有9名日本人，7男2女，机上还有照相机等。按照集团军原来的规定，是要处分这位营长的，可是由于打下了敌机，加上唐淮源一再为其请功，不但没给处分，还奖给他银元1000块。
由于第3军的殊死抵抗，中条山成了大西北的坚固屏障，日寇的眼中钉、心头刺，使敌未能饮马黄河，连日军侵华最高统帅也不得不承认，自入华以来，日军在中条山遭到了最猛烈、最激烈、最有效的抵抗。
