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1937年抗日战争爆发，廖耀湘升任中央军校教导总队第二旅中校参谋主任，参加了淞沪战役和南京保卫战。国民政府撤退至武汉后，廖耀湘升任军官训练总队上校大队长，并上书蒋介石，提出建军改进方案，得到蒋介石赏识。
1938年3月，廖被破格提拔为200师少将参谋长。当年9月，200师在湖南湘乡扩充为国民革命军新十一军，旋改为第五军，廖任该军所辖新22师副师长兼军干训班主任，因师长邱清泉未到职，代理师长之职。
1939年9月，第五军奉命南下广西，发起昆仑关战役，新22师作为该军主力，夺占昆仑关并全歼日本守军6000余人，廖因此被誉为抗战英雄。之后，新22师被调往云南，负责滇西一带的守卫。
1942年2月，应盟军要求，中国政府组成远征军，入缅甸作战，新22师作为远征军主力之一参战。3月，新22师高速驰援同古的英国军队，将其从日军包围中解救出来，盟军赞誉新22师为“世界上最精锐的部队”。1943年初，盟军在缅甸战事不利，被迫撤退。新22师在后路被截断的情况下，不得不翻越环境恶劣的野人山，撤往印度雷多，受到极大损失。
在雷多，新22师受到美国的训练和整编，换装了美式装备，一跃成为中国军队中装备最好的部队之一。之后，廖率新22师在缅北战场屡建功勋，先后歼灭日军12000余人，其中包括日军精锐之一的第18師團。1944年，新22师扩编为新六军，成为国军五大主力之一。
