第20軍名義上雖然屬于國軍戰(zhàn)斗序列，但實(shí)際上國民政府對(duì)其并沒有太大指揮權(quán)，楊森也是聽調(diào)不聽宣， 占據(jù)一方。1937年7月7日，盧溝橋事變發(fā)生后，中國進(jìn)入全面抗戰(zhàn)時(shí)期，楊森多次主動(dòng)致電蔣介石，要求率領(lǐng)部隊(duì)出川殺敵，蔣介石斟酌再三，最終同意了。

1937年9月1日，第20軍將士出川抗日，奔赴上海。由于缺少交通工具，1.8萬名官兵徒步從貴州出發(fā)，靠雙腿急行軍41天，終于在10月12日抵擋上海前線，來不及修整，第20軍官兵立即投入了激烈戰(zhàn)斗中。

大量日軍在飛機(jī)大炮的掩護(hù)下朝著20軍陣地發(fā)起瘋狂沖鋒，20軍官兵雖然裝備簡陋，但個(gè)個(gè)悍不畏死，用血肉之軀擋住了日軍一次又一次沖鋒，始終牢牢控制著陣地，但也付出了慘重的代價(jià)。

第802團(tuán)的一千多名官兵戰(zhàn)斗到最后只剩下200多人，傷亡超過80%，團(tuán)長林相候在日軍沖上來時(shí)率先跳出戰(zhàn)壕與日軍展開白刃戰(zhàn)，最后英勇戰(zhàn)死。第804團(tuán)更為慘烈，只剩下100多人，營長、連長幾乎全部戰(zhàn)死，但始終無一人后退。

戰(zhàn)斗到激烈時(shí)刻，本該坐鎮(zhèn)后方的軍長楊森也親自帶著最后的預(yù)備隊(duì)增援前線。戰(zhàn)后楊森在回憶這場戰(zhàn)斗時(shí)曾用“天崩地坼，日月無光”來形容當(dāng)時(shí)戰(zhàn)場的狀況。20軍官兵持續(xù)與日寇血戰(zhàn)五天三夜，牢牢守住了陣地，沒有讓一個(gè)敵人越過一步，后因傷亡過大被友軍換了下來。

據(jù)資料記載，在這場戰(zhàn)斗中第20軍傷亡的排長以上級(jí)別軍官超過200人，傷亡士兵超過7000人，傷亡率幾乎達(dá)到了一半。第20軍也是淞滬會(huì)戰(zhàn)中最能打的5支部隊(duì)之一，蔣介石還特意嘉獎(jiǎng)了第20軍，承諾將從國外購買的先進(jìn)槍械優(yōu)先補(bǔ)充給第20軍，之前這可是嫡系部隊(duì)才有的待遇。

此后，第20軍又相繼參加了武漢會(huì)戰(zhàn)、長沙會(huì)戰(zhàn)、長衡會(huì)戰(zhàn)等多場大場戰(zhàn)役，為抗日戰(zhàn)爭的勝利作出了巨大貢獻(xiàn)，這是一支足以載入史冊(cè)的英雄部隊(duì)。值得一提的是，1945年抗日戰(zhàn)爭勝利后，楊森便辭去第20軍軍長職務(wù)，解甲歸田了。