抗战爆发后，朱学勉受到抗日救亡的伟大召唤，爱国主义情绪更为高涨。他写了不少悲壮激昂的文章和诗篇，抒发了关心国事的心情和投笔从戎的志愿，表现出与日本侵略者血战到底的决心。

这年这年8月底，他写的《有感》，作了如此描绘：

战云漠漠漫神州，

生死存亡共国仇。生死存亡共国仇。

投笔从戎何处是，投笔从戎何处是，

可怜空负少年头。可怜空负少年头。

闲居一日若三秋，

强笑装欢泪暗流。强笑装欢泪暗流。

最是寒窗风雨夜，最是寒窗风雨夜，

枕边噩梦几时休？枕边噩梦几时休？

男人奋发贵乘时，

莫待萧萧两鬓丝！莫待萧萧两鬓丝！

半壁河山沦异域，半壁河山沦异域，

一天烽火遍旌旗。一天烽火遍旌旗。

痛心自古多奸佞，

怒发而今独赋诗。怒发而今独赋诗。

四万万人同誓死，四万万人同誓死，

一心一德一戎衣！一心一德一戎衣！

当他认识到只有中国共产党才能真正领导抗日救国的时候，就毅然决定奔向革命圣地——延安。1937年10月8日，朱学勉在应野萍、李守先和王任叔等资助下，动身启程。他在西安八路军办事处考取陕北公学。同月23日中午于西安他写信给哥哥表示誓赴延安的决心：“为对得住国家，为对得住替我筹钱的您们，和替我介绍的王任叔先生，更为对得住自己，我必定要不避任何艰苦地努力奋斗下去。大概明晨便要出发赴延安了！这是一条漫长艰苦的路（700余里路，分8天走）。”11月 4日，他终于到了延安，进陕北公学学习。

在这“他生命途上飞跃突变的一个圣地”里，朱学勉勤奋地学习革命的理论，认识到自己肩负的责任，更坚定了抗日救国的决心。他在1938年1月18日给哥哥的信中写道：“弟现在是很快乐地生活着，很幸福地生活着；非但如此，而且了解了应该怎样去干，应该怎样才能将日本帝国主义驱逐出中国。才得求得民族的独立解放，以致建设新中国。”信中还表示：“本着这样的愿望努力干下去，什么苦、什么危险是不会摆在我的心上的。在这国破家亡的今天，还顾到这些吗？”在陕北公学学习期间，他光荣地参加了中国共产党。他在给哥哥的另一封信中写道；事实上家是挺爱的。正因为爱家，才觉得不应单是爱自己的家，而应该爱广大劳苦大众的家，并愿意牺牲个人的一切为此而奋斗！正是这种强烈的爱国情绪，激励他在以后的实践中，冲破艰难险阻，浴血奋战，直至献出宝贵的生命。

朱学勉从陕北公学学习结束后，于1938年2月肩负民族解放的希望辗转西安、武汉，继又来到南京，后又去浙南松阳工作了一段时间。由于浙东形势迅速发展需要，他服从组织上调遣，于同年四五月间到了宁波。不久，担任了中共鄞县工委组织部长。1939年10月，又调任中共余姚中心县委书记。在这一年多时间，他通过各级党组织和党员，包括我党领导的国民党政权的一个团体——战时政治工作队，以及进步群众组织青年救亡宣传队，领导抗日救亡运动。

朱学勉到余姚后，积极贯彻了党提出“坚持抗战，反对投降；坚持团结，反对分裂；坚持进步，反对倒退”的方针。1940年3月，他与其他县委成员一起，对国民党企图控制县妇女会选举的行径开展了坚决的斗争。这年三八节，国民党余姚县党部为把持全县妇女运动的领导权、限制政工队在这方面的活动，突然决定召开全县妇女协会会员大会，妄图扼杀已经兴起的妇女运动；而且“动员”了城区几百名妇女参加妇女协会，企图抢在政工队前选出领导机构，以达到撤销政工队所组织的妇女工作队的目的。朱学勉和县委委员、政工队第一区队长马青，指挥政工队全体女同志和三四百名妇女，向主持大会的反动头目说理，还举行示威游行，取得了各抗日团体的同情、支援，迫使县党部举行谈判，并进行重新选举，选出了进步力量占优势的妇女界领导机构。斗争的胜利，打击了国民党顽固派的反动气焰，显示了抗战以来余姚妇女运动的力量，促进了妇女运动的开展。

1940年4月初，日本侵略军要在浙东发动春季攻势，余姚可能沦陷。针对这种形势，朱学勉通过拥护我党的上层统战对象、县政工队长郭静唐，组织了一支警察特务中队，发动农村进步青年参加；他还亲自领导该中队的地下党支部，并派县委委员陈子方担任国民党县自卫大队一中队指导员，让党员沈标、秦鲤到三中队任指导员，加强了自卫大队的统战工作。他还派党员和上层统战对象建立了一个半公开的统战组织——准备游击委员会（公开形式是聚餐会）。这样，通过多条渠道，调动各方力量，为发动游击战争作了准备。同年9月，国民党发动第二次反共高潮前夕，国民党军钱江南岸左地指挥部指挥翁光辉，将进步人士郭静唐扣留了起来，并连夜送往金华。不久，国民党余姚县党部把政工队改组为青年服务队，集中到金华去“受训”。战时社会服务团被解散，平时较为活动的共产党员、爱国进步人士被列入黑名单，有的被捕入狱。在反共逆流面前，朱学勉果断地将政工队中的绝大部分共产党员撤了出来，留下个别的坚持斗争。又将被列入黑名单的人外调或转入地下活动；还组织县委委员深入农村，对基层党支部加强领导，特别是加强和巩固了四明山、盐场的工作，为后来四明山开展游击战争提供了极为有利的条件。

1941年二月皖南事变后，朱学勉调任诸暨中心县委书记。同年秋，国民党浙江省保安处长宣铁吾派遣特务到诸暨破坏我党组织，强迫党员自首自新。在这种恶劣形势下，他执行了党的隐蔽精干政策，将党委制改为特派员制，并采取单线联系的领导方法；安排面目较“红”的干部外调，或暂停活动；在党内进行了气节教育。为了保存党的力量，解决党的活动经费，他提倡地下工作干部“职业化”，深入到工农群众中去。他自己也筹集一些资金，在诸南找了会做豆糕的共产党员杨乃来，去里浦附近的陈家坞开了一爿豆糕店。他虚心地学习炒冻米、炒芝麻和煎糖、切糖等技术，不久便成了一个熟练的豆糕师傅，挑担沿门叫卖推销豆糕，学会小贩本领，生意很快就兴隆起来。他把做工叫卖经商和地下工作结合起来，不仅解决了几个党的领导干部的生活经费问题，而且为开展地下活动创造了更为有利的条件。

1942年5月，日军发动浙赣战役，诸暨于5月18日沦陷。在这个形势转折关头，朱学勉立即将党的工作重心转到发动抗日游击战争上来。他遵照党的指示，恢复了诸暨县委，继续担任县委书记。他召开了党的会议，确定了发动游击战争的活动方针，并亲自抓了抗日部队的创建和发展工作。他通过泌湖乡乡长、共产党员何文隆的活动，建立了一支抗日部队——泌湖乡抗日自卫队。6月，他与绍属特委的马青商定后，又做了钱之棼、赵汉波等进步人士的统战工作，将自卫队扩大为泌湖、明镜、姚江、朱公四乡抗日自卫大队（简称四乡联队）。不久，他组织四乡联队在盛兆坞缴了方承芳特务部队的枪支（轻机枪两挺、步枪几十支），增强了部队实力，扩大了我党的政治影响。8月，他将四乡联队又扩大为诸暨北区八乡抗日自卫大队（简称八乡联队），并兼任一中队指导员，亲自领导。

同年11月底，朱学勉带领八乡联队随三支二大去四明山参加第一次反顽自卫战争。当时，以部队留下来的伤病员为基础，建立了一支“小三八”部队。1943年初，党决定派朱学勉从四明山返回诸暨，领导“小三八”部队。为发展抗日武装力量，他们迅速扫清了诸北、诸南的土匪活动，缴获了一批武器。又通过统战工作，派人去江山买来轻机枪2挺，步枪35支、短枪6支。5月底，他指示负责路西地下党工作的同志，将隐蔽在国民党直埠区署的一支部队（22人、2挺轻机枪、15支步枪）拉了出来，在江澡小岭脚与“小三八”部队会合．将孩两个中队助转为一个大队，朱学勉任大队副队长，是部队的实际领导者。

“小三八”的发展壮大，人民高兴，日军、汉奸害怕，顽固派千方百计地企图消灭它。起先，国民党县长李秀派人游说，说朱学勉能力很强，地方人士很敬重他，要他去县自卫委员会当参谋长。朱学勉婉言谢绝了。接着，他们勾结了名义上为县自卫大队长的章西夫，要朱学勉去“商讨联合抗日，维持地方治安”等问题。朱学勉与马青商量后，派钱之棼、赵汉波去谈判，由部队六名胆大心细的战士为卫队，顽方没能达到罪恶的目的。最后，章西夫要朱学勉带部队去枫桥参加他们召开的所谓“抗日阵亡将士追悼会”，企图乘机缴部队的枪。朱学勉挑选了20多位勇敢的干部战士，由他们带一些破枪去枫桥应付，他自己则率大部分指战员埋伏在枫桥附近的小山上，又一次击败了顽方的阴谋。1943年12月，新四军浙东游击纵队金萧支队正式成立，“小三八”部队的两个中队编为金萧支队一大队的一、二中队，朱学勉任一大队大队长。从此，他离开诸暨县委，专职从事抗日军事斗争。

在游击战争的戎马生涯中，朱学勉总是身先士卒，勇于战斗。在去四明山参加第一次反顽自卫战争时，他冲锋在先，退却在后。他在领导“小三八”部队肃清诸北、诸南的土匪活动，袭击姚公埠伪组织，夜袭牌头火车站附近的伪军据点等战斗中，机智果断，勇敢沉着。1944年初，朱学勉随金萧支队去四明山参加第二次反顽自卫战争。2月10日午夜，浙东游击纵队发起了对国民党挺四纵队田岫山部队的进攻，金萧支队的任务是拿下前方村东侧的制高点，支队把这个任务交给了朱学勉的一大队。他率领二中队三次冲锋，终于将制高点攻了下来。当时敌人火力很猛，二中队伤亡很重：中队长李克福牺牲；朱学勉的军帽被打穿，一绺头发被打掉，背着的雨伞也被打了一个洞。撤出时，他和教导员俞林作掩护。事后，他英勇善战的战斗作风受到了支队首长的表扬。

1944年3月，金萧支队根据浙东区党委“坚持四明，巩固三北”、“分散活动，牵制调动敌人”的方针，离开四明地区，于12日抵达诸暨。同月23日，共产党员彭林等领导的国民党义乌独立大队与金萧支队会合成为金萧支队的独立大队。

5月27日早晨7时，金萧支队朱大队和独立大队从渔橹山后的小畈转移到墨城坞南的半山村。此时，驻扎在枫桥镇和阮家埠的汪伪军独立第四旅旅长蔡廉亲率所部千余人，分头向沿江进犯，前头部队向庙西窜袭。敌我相距只有2里路了。支队首长立即命令独立大队占领墨城坞东北面的祝家山头阵地，侧翼警戒江藻方向，防备铁路线上的日军来夹击；朱学勉的一大队向西南活动，解决占领庙西的敌人。

朱大队刚要发起冲锋、汪伪军四团的三四百人又赶到了，敌我力量十分悬殊。朱学勉立即率队退守到枯竹尖和枯竹尖西南陡坡达70度的无名高地。等敌人快要接近时，朱大队的所有机枪火力突然喷射出去，手榴弹雨点似地落在敌群中，将敌人打得落花流水，敌人的第一次冲锋被击退了。

敌人不甘心自己的失败，为争夺制高点，他们集中了迫击炮和二三十挺轻重机枪的火力，射向无名高地。守在无名高地的朱大队二中队副王志清牺牲了，中队长负伤。朱学勉立即从大队指挥所奔向战斗最激烈的无名高地，鼓励同志们“为王中队副报仇，狠狠地打！”很快又打退了敌人的第二次冲锋。

下午3时，敌人发起更猛烈的冲锋。蔡廉将他唯一的一张王牌“老虎排”拿了出来，要他们冲在前面，后面跟着百来个喽罗，还有副旅长亲率的督战队一齐扑向无名高地。为加强朱大队的火力，打退敌人的进攻，支队首长命令独立大队将子弹、手榴弹补充给一大队，命令独立大队留下少数人防守祝家山，大部分由钟发宗、彭林等带到枯竹尖后面的晓天岭岗做预备队。敌人逼近时，朱大队的机枪子弹突然扫向敌人，手榴弹在敌群中开花，杀伤了“老虎排”和大量的敌人。正在这时，指挥战斗的朱学勉不幸胸部中弹牺牲。战士们怀着满腔悲愤，打退了敌人第三次冲锋。接着，支队长蔡群帆登上高地率朱大队的战士们在“为朱大队长报仇”的怒吼声中打退了敌人的第四次冲锋，战斗获得了胜利。蔡廉部伤亡惨重，败退枫桥。

为了纪念朱学勉烈士，1945年7月，金萧支队诸暨办事处将枫桥魏家坞的忠义中学改名为学勉学院。诸北大宣村的群众，则将村中的一块元宝地挖成一个大池塘，取名为朱公池。解放后，枫桥还命名了学勉路、学勉中学。诸暨县人民政府在连湖乡尚武村兴建了朱学勉烈士墓，供后人瞻仰。