在此期间浴血抗日，立下了多次战功，华中地区所有的大战几乎没有他不参加的，他率领的这支川军参加了淞沪会战、武汉会战、长沙会战等多次战役。其麾下的部队虽然装备不足，缺乏弹药、给养和医疗设备，大冬天士兵脚上穿的还是草鞋。
但是杨森部刚出川即赴上海参加淞沪抗战，全军在大场血战5昼夜，守住了阵地，直到韦云淞的31军和叶肇的66军接防。而所率川军18000余人，伤亡高达7000余人，杨森所属之部是淞沪会战中除装备德国武器的王牌师中央军88师、税警团直属队外最能打的部队，被评为淞沪战场最能打的5个师之一，******立即下令优先给予补给换装。
这次会战虽然说是薛岳作为总指挥，但是抗敌的思路却是杨森与罗卓英提出的，所以杨森极为重视，他可不愿意自己再被老蒋点名痛骂了，那句“轻弃名城，腾笑友邦”的评语时刻萦绕在他心头。
在得知第四军将大云山主阵地丢了之后，杨森当即电告第四军军长欧震和第59师张德能：“大云山可以丢，但是第四军决不能撤，不但不能撤，还得想办法拖住日军的脚步，为战区部署争取时间，拖住日军第六师团一个星期，第四军可记一功，反之欧震和张德能自己和军委会解释吧！”