1937年7月7日，卢沟桥事变爆发。正在庐山受训的十七师师长赵寿山，7月8日请缨北上抗日。不久，陆军三十八军之十七师与一七七师之五二九旅，在陕西渭北地区集结誓师，群众数千人热烈欢送，军民同仇敌忾。在《牺牲已到最后关头》的抗日歌声中，十七师官兵怀着抗战到底的决心，于7月21日离陕，24日抵河北深县待命。8月2日奉命进驻保定，布防于保定至新安镇一线阻击敌人。第一七七师之五二九旅奉命由河北保定前线转进到山西忻口抗击日军的进攻。

中秋节前后，日军两个师团沿平汉铁路两侧向南进犯，部署在保定以北平汉线上的孙殿英部一触即溃，日军占领徐水。此时，前线总指挥刘峙乘火车仓皇南逃。华北的二十二个师，无人指挥，蒋介石遂命令关麟徵为临时指挥官。指挥关的第二十五师、郑洞国的第二师和赵寿山的第十七师坚守保定。十七师布防保定以北之漕河防线。日军首先向十七师阵地发动进攻，经过激战，阵地反复易手，敌不得前进。敌人遂兵分两路，向友邻部队防地进攻，阵地被突破，关、郑两部南撤，保定失守。十七师与关失去联系，大有被日军包围之险。赵师长与旅、团长研究决定：沿保定以东南撤至阜河一带，继续阻击敌人，并与敌展开白刃格斗。两次战斗毙伤敌数百人，自己也有重大伤亡。部队遂向石家庄以东转移，至晋县一带收容休整。

10月初，沿平汉线南犯之敌，在进攻石家庄的同时，以一部兵力西犯，企图夺取娘子关，与由晋北南下之敌合击太原。此时，保卫娘子关对于稳定华北战局有着极重要的意义。当时在娘子关一带有孙连仲的第二十六路军、冯钦哉的第二十七路军、滇军第三军和第十七路军的李振西教导团。蒋介石又派黄绍竑担任指挥官。十七师归冯钦哉指挥。但冯指挥部位置不定，联系困难，黄绍竑命第十七师归商震指挥，防守娘子关旧关一线。由于日军向西推进的速度很快，与我向娘子关前进的十七师距离只有20多里。赵师长接受防守娘子关外围的任务后，即率领部分兵力主动出击，敌在获鹿附近滞留了两天，十七师趁此机会在雪花山、乏驴岭一带进行了布置。雪花山、乏驴岭均为石山，构筑工事困难，只能用麻袋装土做成掩体，在拥有优势装备的日军进攻面前，十七师的防御任务是十分艰巨的。

10月12日晨，日军川岸文三郎第二十师团向娘子关发动全面进攻，雪花山首当其冲，激战两天一夜，雪花山反复易手三四次，敌受挫于我阵地前。唯我右翼刘家沟东端阵地，遭敌空军猛烈轰击，守兵伤亡惨重，阵地失守，敌遂向旧关突进。同时又以千余兵力攻我左翼雪花山阵地。十七师为保持雪花山防御的稳定，并牵制西进旧关之敌，遂抽调一个团的兵力，由赵亲自率领，于13日下午5时，分三路主动向井陉南关日军右侧背出击。右翼出击部队在九十八团陈际春团长率领下，于晚10时歼灭了突入我刘家沟、长生口阵地之敌；左翼为一○二团二营，向井陉县城实施佯攻；中路在一○一团张桐岗团长率领下，于雪花山麓（石板片附近）与敌增援部队1000余人相遇。我趁敌正在休息，立即发起冲锋，官兵奋力冲杀，砍得敌人尸横遍野。敌不支，向东奔窜，我跟踪追歼，至午夜，我连下施水村、板桥、朱家川、南关车站，缴获大炮、机枪、骡马及其他战利品甚多。其中仅山炮、野炮即有数十门。正当我军在井陉车站扫荡残敌、清理战场时，忽报敌已占领雪花山阵地，并以强大火力向井陉车站狂射，已逃窜之敌也反扑过来，对我出击部队十分不利。在此危急时刻，赵师长立即调集出击部队向雪花山阵地之敌发起反攻。至14日拂晓，敌继续向雪花山增加兵力，加之我伤亡逾千，且火力弱，仰攻不易，遂向乏驴岭转进。14日晨，赵师长将防守雪花山疏虞的一○二团团长张世俊就地处决，以正军法。在坚守雪花山战斗中，一○二团共产党员、连长张登第率部坚守阵地，英勇奋战，全连壮烈牺牲，英雄事迹，可歌可泣。

敌占领雪花山后，向我乏驴岭阵地发起攻击，企图突破正面，与旧关之敌会合，继而进攻娘子关。激战数昼夜，敌不能越雷池一步。19日晨，敌增兵两个联队，在优势炮火的掩护下向我进攻。我官兵依托阵地，沉着应战，奋勇抵抗，敌未得逞。10时许，敌机20余架，与炮兵配合，猛烈轰击我防御阵地，并掩护步兵再次向我攻击，战至下午1时，我守备乏驴岭之补充团翟济民团长身负重伤，营以下军官伤亡27人之多，士兵前仆后继，伤亡过重，弹药殆尽，即以石击敌，终因寡不敌众，乏驴岭南侧阵地为敌突破。我守备荆蒲兰的黎子淦营终日与敌殊死搏斗，至下午5时，营附及八连连长阵亡，营长及九连连长负伤，全营除十余人外，均壮烈殉国。此时，乏驴岭北侧阵地正处于敌三面包围之中。耿景惠旅长、李维民团长率部与敌苦战至黄昏时分，带领余部百多人向神灵台转移。

至此，十七师在井陉、雪花山和乏驴岭与敌先后苦战了15昼夜，付出了极大的代价。此时，全师仅剩旅长1人、团长2人、营长以下干部不及1/3，士兵不足3000人，已处于不补充难以再战的地步。赵师长虽五次致电蒋介石请求补充，蒋不但不予补充，反而再次命令十七师担负掩护其他部队后撤的任务。十七师为了纪念雪花山和乏驴岭战斗，以后成立了一个剧团。命名为血（雪）花剧团，并编了一首战歌，歌词是：“我们在乏驴岭上，誓与阵地共存亡；我们在雪花山上，血花抚着我们的刀枪；井陉车站夺大炮，娘子关外毁车辆……”以鼓舞士气。

十七师奉命由娘子关正面转移到北面的驴桥岭时，旧关阵地已被敌占领，正在扩大突破口。三十八军教导团在李振西团长率领下，同曾万钟的第三军一部协同配合，在下盘石的后面抗击日军的进攻。教导团与敌短兵相接，以刺刀、大刀与敌展开拼杀、肉搏，全团2000余人，仅剩下五六百人，顶住了敌人的进攻。与此同时，十七师在驴桥岭激战三昼夜，阻滞敌人前进。26日晨，十七师左右翼的友军均已撤退，该师曾多次与上级联系，均得不到指示，后被迫撤出阵地，向西转移。

此次战役，十七师伤亡奇重。该师开赴保定前线时，有官兵13000多人，娘子关战役之后，仅剩3000多人，由于该部坚守阵地有功，第二战区副司令长官黄绍竑发电嘉奖称：“十七师此次攻守皆很尽力，损失奇重，殊堪嘉慰。”并赏银圆3000元，以资慰勉。

十七师向阳泉撤退途中，八路军总部曾派两名军事干部来到部队。赵师长分别委派这两个同志担任师特务连副连长和排长职务。他们开展宣传鼓动工作，帮助巩固部队，直到十七师到达太原附近，才奉命离开。

11月4日，十七师奉命到太原东郊山地陈家峪、敦化坊一线设防。5日，与猖狂西进的日军激战5小时之久。此时，由忻口南下之日军已攻进太原北关，太原外围的各友军均在撤退，十七师遂向太原以南转移。6日，涉过汾河，然后西进至离石县以西之碛口一带收容整顿。

十七师到碛口镇时，八路军留守兵团组织群众敲锣打鼓、扭秧歌，夹道欢迎。不久，中共中央派南汉宸率慰问团代表党中央、毛主席来到碛口慰问十七师官兵。南汉宸曾多次讲话，分析抗战形势和中日国力对比，阐明坚持抗战必胜之道理。根据中央指示，帮助部队地下党整顿和进行5日整训。赵寿山师长为整顿军纪，颁布了三大禁令和四大口号：禁嫖、禁赌、禁吸大烟；人事公开、经济公开、自我教育、自觉纪律。当时还惩办了个别违犯禁令的军官。

1938年1月，十七师从碛口西渡黄河到绥德地区休整补充。驻防黄河西岸的八路军萧劲光旅和十七师的官兵举行联欢，交流作战经验。萧劲光在讲话时，赞扬了十七师抗日战绩和将士流血牺牲精神，极大地鼓舞了士气，增强了官兵重上战场杀敌的决心和信心。

与此同时，赵寿山师长取道延安去西安时，在延安受到毛主席、叶剑英总参谋长的亲切接见。毛主席详细地阐述了我党抗日民族统一战线政策，提出了培训干部、改造部队的建议，为该师以后坚持抗日，最后回到人民军队行列奠定了基础。

十七师在绥德整补近一个月，又奉命东渡黄河，到洪洞县集结待命。此时，朱德总司令来到部队，给连以上干部讲话，鼓励部队要团结一致，抗战到底。还同刚从西安返回的赵师长进行了长时间的谈话，对赵鼓励、慰勉。随后，十七师开赴晋城附近，编入第二战区东路军序列，在朱德总司令、彭德怀副总司令员指挥下开始了新的战斗历程。