抗日战争爆发后，姚纯中断休养，率部由九江入川待命。1937年12月24日，晋升中将。1938年2月8日，升任第三十六军军长兼渝南警备司令，担任川江三峡防务及拱卫陪都重庆的任务，并先后抽调第一六七师、新二十三师参加武汉会战和湘北会战。1939年12月，率部投入桂南会战，编入第三十八集团军序列，参加反击日军企图截断滇越铁路而向广西南宁发动的进攻。在桂南会战的昆仑关之战中，作为侧翼策应第五军对昆仑关攻守。第五军消灭日军第二十一旅团之后，日军于1940年1月集结重兵反攻。12日，姚纯接替因伤亡过重的第五军阵地，与友军担任昆仑关正面防守。28日，日军猛烈进攻，姚纯率部连日激战。其间因肺病复发，吐血不止。2月1日，第三十八集团军总司令部被日军轰炸，各军被迫各自为战。日军遂迂回包抄夹击三十六军。姚纯率部与日军激战终日后，撤向广西上林一带。3日，昆仑关被日军再次占领。22日，蒋介石在柳州召开军事会议，检讨会战失利原因，姚纯被撤职查办，同时受处罚的还有白崇禧、陈诚、徐瑶庭等7人。