1930年5月，閻錫山發動反蔣介石的中原大戰，傅作義擔任第四路軍指揮官。閻錫山敗北之后，張學良接收傅作義等部。1931年5月，傅作義被任命為國民革命軍第三十五軍軍長。同年8月，他被任命為綏遠省政府主席。此后傅作義在綏遠省發揮內政手腕，在治安維持、農村基層組織改革、金融整理、城鄉建設、教育事業等方面都取得好成績。當時他贊賞梁漱溟等人的鄉村建設學說，所以在綏遠省推行教育、生產、武裝三位一體的農村制度，即教、養、衛制度。
1938年《支那事變寫真帖》中的傅作義照片
1931年9月，九一八事變發生，他和徐永昌、宋哲元聯名發表抗日聲明。1933年1月，日軍進攻山海關，長城抗戰爆發。同年2月，傅作義出任第七軍團總指揮。同年4月末，傅作義親自率領國民革命軍第五十九軍從張家口急赴昌平。5月23日，傅作義開始同日軍第8師團交戰，雙方傷亡都較為慘重。6月末，傅作義率部返回綏遠省。
1935年4月，傅作義獲晉升陸軍二級上將。1936年11月，李守信率領的蒙古軍與王英率領的大漢義軍共同進攻綏遠省，遭到傅作義擊退。11月24日，傅作義在百靈廟擊敗大漢義軍，12月4日完全收復百靈廟，史稱百靈廟大捷。這就是著名的綏遠抗戰。
1937年3月9日，行政院決議，嘉獎綏遠抗戰將領，閻錫山、傅作義敘一等寶鼎勛章，騎兵司令趙承綬二等寶鼎勛章[6]:5381。5月12日，傅作義至百靈廟視察，5月14日至钖拉穆?召（大廟）視察[6]:5424。抗日戰爭爆發后，傅作義歷任第二戰區第七集團軍總司令、第二戰區北路軍總司令（第二戰區司令長官為閻錫山），先后參加忻口戰役、太原保衛戰。
1938年初，傅作義仿照中國共產黨領導的八路軍的建軍經驗，成立第二戰區北路軍政治工作委員會，自兼主任，總部設政治指導室，派周北峰任委員兼秘書，軍內各級分別設政治工作機構，不少負責人由延安派來的干部擔任。傅作義在部隊中設立奮斗室，軍官家屬組成眷屬團，軍人子弟上奮斗小學、奮斗中學。中國共產黨開展減租減息，傅作義也開展整理土地，將地主的土地清丈以后，限制地租，另外又將領主、地商開墾土地未交地價者收歸國有，永遠租給佃農[7]。傅作義還制定《北路軍政治工作守則》，又參照八路軍的《三大紀律、八項注意》制定《十項紀律》。
閻錫山譏稱傅作義“把部隊帶赤化了”、“三十五軍已成為七路半了”。這種情況引起蔣介石的警覺，蔣介石特派中統特務來傅作義部隊任政治部主任，并且驅逐中國共產黨黨員。1938年12月，國民政府任命傅作義為第八戰區副司令長官兼第二戰區北路軍總司令，傅作義自此擺脫閻錫山控制，回到綏遠。他先后參加包頭戰役、綏西戰役、五原戰役等等。由于戰績良好，1939年傅作義獲國民政府授予青天白日勛章。
綏西戰役結束后，進入軍事僵持狀態，傅作義部面臨極大的經濟困難。當時所部10萬軍政人員的軍需用度急需解決，而整個八百里河套灌區，當時只有16. 7萬人口，水利工程因為戰爭被嚴重破壞，耕地荒蕪總面積達3800頃。傅作義提出口號“治水與治軍并重”到1945年抗戰勝利，河套地區的總人口增長到近30萬人，新增36,000頃水澆地，稻谷、小麥、糜子三大糧食作物產量2.3億斤，人均760斤口糧。
1941年《最新支那要人傳》中的傅作義照片
抗日戰爭勝利前夕的1945年7月，傅作義任第十二戰區司令長官。抗日戰爭勝利后，第十二戰區司令長官傅作義負責熱河省、察哈爾省、綏遠省的日軍受降事宜。
日軍投降后，大片日本占領區等待接收，當時中國國民黨和中國共產黨雙方對受降權爭奪激烈。蔣介石命令各地國軍迅速搶占地盤，恰好符合傅作義作為中國國民黨地方派系的利益。時任第十二戰區司令長官的傅作義率6萬余人迅速進軍包頭、歸綏。在此之前，中共方面的陜甘寧晉綏五省聯防軍司令賀龍已率軍包圍包頭、歸綏，準備進城接收。傅作義部隊突然抵達，強占了這兩座城市。傅作義部還遠程出擊，企圖攻占解放區第二大城市張家口。八路軍賀龍部會攻包頭、歸綏，企圖從傅作義部手中奪回兩城，但戰斗多日后，由于缺乏彈藥棉衣，被迫撤出戰斗。
