1937年8月13日，剑拔弩张的中日两军在上海正式开战，随着会战规模的不断扩大，全国各地的军队纷纷奔赴上海参战。

8月末，远在贵州的川军第20军接到了增援上海战场的作战命令。9月1日，全军从贵州出发，先是徒步行军到长沙，接着改乘火车沿粤汉、平汉、陇海、津浦、京沪铁路向上海进军。

第20军途经武汉时，军长杨森为激发全军抗日的斗志，发表讲话说：“我们过去打内战，造成国家极大的损失，那确是罪恶。今天我们面临日本帝国主义侵略，他处心积虑，要亡我们的国家，灭我们的种族。守卫国土是我们的天职，我上下官兵，要英勇杀敌，不怕牺牲，为保卫祖国流尽最后一滴血。”

杨森所部川军在四川整整打了十多年的内战，直至1928年10月的下东川之战中，杨森的部队被刘湘打败，一蹶不振。自此以后，杨森彻底失去了争霸四川的资本，第20军也成为了一支完全依附于蒋介石的四川部队。

在全面抗战爆发前，经川康整军会议决定，川军各部均需缩减军队的规模。由于第20军的军费完全靠南京国民政府发放，因此第20军立刻响应中央号召进行裁军，将该军下辖的第133师、第134师和第135师缩编为第133师和第134师，每师下辖2个旅，4个团。

1937年10月9日，经过一个多月的长途行军后，第20军在南翔火车站下车。次日，第20军军力部队集结于老人桥、郁公庙、新泾桥、谈家头、池后宅、战头桥一线，作为预备队就地构筑防御工事。

然而，此时正值日军增援部队第9师团、第13师团和第101师团抵达战场并陆续投入战斗，中国军队的压力陡增，作为预备队的第20军很快便被投入一线参加战斗。10月12日，日军集中主力向桥亭宅、顿悟寺至陈家行一线我军防线发起猛烈进攻，苦战数日的第32师因伤亡惨重，所坚守的陈家行阵地被日军占领。

为了重新夺回陈家行阵地，第20军的向文彬团（第804团）联合第32师残部于当天夜里发起反攻。经过一夜激战，中国军队虽然夺回了陈家行阵地，但向文彬团也消耗殆尽，该团的连长非死即伤，排长还剩3人，士兵仅存120余人。

10月13日起，第20军正式接防友军阵地，日军连续两天在优势重炮、空中掩护下，对第20军的阵地发起排山倒海般的攻势，双方一直鏖战到了16日。根据战前统计，第20军每团仅装备有4门迫击炮、每个步兵连只有3挺轻机枪、机枪连则仅装备有2挺重机枪，装备极其简陋。川军将士就是拿着这么简陋的武器与装备精良的日军血拼，精神实在是令人敬佩。

在战斗中，第20军坚守的阵地数次易手。14日下午15点，顿悟寺西侧阵地被日军攻破，守军先纠华营全部壮烈殉国，第20军其余阵地因此全线动摇。杨森要求全军应与阵地共存亡，立即命令其子第134师的师长杨汉忠率部增援，杨汉忠亲自带着部队顶着日机的轰炸和扫射发起反攻。反攻过程中，杨汉忠的左腿中弹，只进行了简单包扎后杨汉忠带伤继续指挥作战，第134师官兵在师长的感召，爆发出了惊人的战斗力，在当天傍晚就恢复了所有丢失的阵地，全线转危为安。

15日白天，第20军的顿悟寺、陈家行阵地被日军炸成一片焦土后，再次失守。当天黄昏前后，经第20军第133师的不断逆袭，阵地再次失而复得，在此期间第20军副军长夏炯、第133师师长杨汉域始终没有离开一线半步。

战至16日中午，第20军再次击退日军进攻后，终于被撤换来了下来，阵地由刚刚抵达战场的桂军第48军接防。

经过数天的战斗，第20军坚守的阵地岿然不动，完成了作战任务。但为此第20军付出的代价极为高昂，第20军阵亡3706人，伤7049人，失踪241人，战后只能缩编为一个师。

第20军在淞沪会战中表现十分亮眼，然而到了之后的武汉会战，第20军的表现却让人大跌眼镜了。

1938年6月12日，第20军防守的安庆沦陷。3天之后，第27集团军（由第20军组成)驻武汉办事处突然收到了一封来自军令部部长徐永昌的电报，内容如下：据报犯安庆之敌只陆战队数百，未经力战，轻弃名城，腾笑友邦，实属遗憾。委座对杨司令（杨森）极器重，徒以御众关系，尚祈转至杨总司令努力前途，由以自见，最小限度固守潜山、石牌，以策马当封锁线之安全为要。至于舒、桐西方山地并太湖，如有余力仍望兼顾，并请与徐克成（徐源泉)部切取连络。

对于安庆轻易落入日军之手，蒋介石十分愤怒，但因为杨森掌握着军队，也不能采取过激的措施，只能半威胁半鼓励的要求杨森接下来能够努力作战。实际上，日军用于进攻安庆的兵力还是不少的，日军主力为波田支队（下辖台湾步兵第1联队、第2联队及台湾山炮兵联队），还有海军陆战队的3个中队配合作战，另外还计划出动第6师团的坂井支队。不过，当日军于1938年6月12日8点左右在安庆登陆后，确实是没有遭遇多少激抵抗就在当天晚上占领了安庆，第20军可以算是弃守了安庆。

按照战前的军事部署，作为军事重镇的安庆由第20军防守，不到万不得已时才可以放弃安庆。由于第20军弃守安庆，使得日军兵锋直指马当要塞，并未起到迟滞日军进攻的作用。

撤出安庆的第20军，因为当地天降暴雨，又不断遭到日军的进攻，第20军各部损失惨重一度还失去了联系，陷入各自为战的境地。第20军的李介立团（第794团)在战斗中被日军包围，杨森误以为该团已经全军覆灭，为了展现第20军的牺牲之惨重，杨森向上级报告称“第794团全团殉国”，但事后查明李介立团并没有全军覆没，此事也成为了一个笑柄。

从淞沪会战中与日军血拼的第20军到武汉会战中消极避战的第20军，造成这种情况的原因有二

一、第20军在淞沪会战中元气大伤。战后虽然补充了新兵和新装备，但由于久经战阵的老兵伤亡太大，使得部队的战斗力急剧下降。

二、战场环境不同。在淞沪会战中，第20军只需要坚守住几处阵地就行，侧翼和后方都比较安全；而此次防守安庆等地，需要防守的区域非常大，而且由于徐源泉所部的消极避战，导致第20军有被日军合围的危险，再加上杨森也不愿意自己的部队因与日军作战而损失过大，也就选择了消极避战。