1938年3月15日，他奉命率部参加鲁南台儿庄会战，担负着阻击北面之敌的任务，他火攻陶墩，计取朱庄，激战郭里集，与兄弟部队合围，迫使台儿庄之敌后撤。战后，获得华胄荣誉勋章，擢升为八十九师副师长。是年夏天，又投入保卫武汉的外围战，与兄弟部队一起，痛击从九江进犯的日军第九师团，日军损失惨重，敌人曾先后补充兵员达九次之多。因而获记大功一次。
1939年1月，在湖南湘潭升任第五军第200师师长。第二百师对外号称是中国军队的第一个、也是惟一的机械化师。戴安澜回顾过去，展望未来，撰写了《自讼》一书，他说，这是”一方面为检讨过去的缺失，一方面是确定今后生活的正当途径。“，以认识形势并鞭策激励自己。戴安澜军旅一生，勤奋学习，从不间断。林森称誉他为儒将风徽。他经常将学习的心得及做人的要求写下来给其所属部队的各长官。其中最有代表性的是：“人我之际要看得平：平则不忮，功名之际要看得淡：淡则不求，生死之际要看得破：破则不惧。人能不忮不求不惧，则无往而非乐境而生气盎然矣。”他为自己提出四条准则：毁誉不闻，宠辱不惊，安危不动，得失不患。他还认真总结军事教育方面的经验教训，又写成了《磨励集》及《《磨励集》续集》，详述班、排、连的攻防和射击教育，作为训练部队的教本。当年11月挺进桂南参加昆仑关大战，三失三克昆仑关，击毙了日前线指挥官第五师团第十二旅团长中村正雄少将，坚守了阵地。在昆仑关战斗中他身负重伤，由于战功卓着得到四等宝鼎勋章。各报记者因此在国内外报刊上报道大战经过，盛赞戴安澜师长颇具北宋大将军狄青的风度。
1941年12月16日，第200师开赴缅甸协同英军作战。次年3月，参加东瓜保卫战。在没有空军协同作战的情况下，同4倍于己、配备有步兵特种兵和空军的日军苦战12天，掩护了英军的安全撤退，并歼敌5000余人。4月25日，又率部克复棠吉。5月18日，在郎科地区指挥突围战斗中负重伤，26日下午5时40分在缅甸北部茅邦村殉国。10月16日，国民党政府追赠戴安澜为陆军中将。29日，美国国会授权罗斯福总统追授戴安澜1枚懋绩勋章。
1943年4月1日，国民党政府在广西全州香山寺隆重举行有1万多人参加的国葬。国共两党领袖均亲撰挽词。毛泽东的挽诗是：“海鸥将军千古外侮需人御，将军赋采薇。师称机械化，勇夺虎罴威。浴血东瓜守，驱倭棠吉归。沙场竟殉命，壮志也无违。”蒋介石的挽词是：“虎头食肉负雄姿，看万里长征，与敌周旋欣不忝;马革裹尸酹壮志，惜大勋未集，虚予期望痛何如?”周恩来题写了挽词：“黄埔之英，民族之雄。”
1948年5月3日，卜葬于芜湖市小赭山。
1956年9月21日，被中央人民政府内务部追认为革命烈士。
戴安澜-远征缅甸
太平洋战争爆发后，应美国和英国的一再请求，1942年初，中国组建了远征军开赴缅甸。戴安澜奉命率二百师赴缅参战。东瓜(亦称同古)是阻止日军北侵的重镇，3月20日，日军向驻守冬瓜的第二百师各主要阵地发起了进攻。面对强大的日军，戴安澜表示了决一死战的坚定信念，他召集全师营以上军官开会，带头立下了“誓与同古共存亡”的遗书，他说：“此次远征，系唐明以来扬威国外的盛举，虽战至一兵一卒，也必死守东瓜。”并对在座军官说：“如本师长战死，以副师长代之;副师长战死，以参谋长代之;参谋长战死，由步兵指挥官替代，各级照此办理。”
在持续十多天的东瓜保卫战中，戴安澜率部奋战，以少胜多，击毙敌军5000多人，取得了出国参战的首次胜利。这次胜利，在国际上都享有盛名。