1933年10月，蒋介石发动了对中央红军的第五次“围剿”，除指挥大军进攻中央红军外，还派一部分军队进攻方志敏领导下的沼东北苏区。此时，日军已占领东北并有吞并华北的野心，为了挽救中国的危亡，停止内战，一致抗日，中国共产党派方志敏率领抗日先遣队北上抗日。为了消灭这支抗日队伍，1934年9月，蒋介石调十五军和安徽保安团在秃南堵截，同时调驻福建的四十九师、驻江西临川的王耀武补充第一旅等参加对抗日先遣队的围击。

1934年9月，李天霞第三团随王耀武补充第一旅离开江西临川，开往上饶，到上饶后，该旅归俞济时指挥，担任追击任务。1934年12月，王耀武率补充第一旅从汤口追击红军，在谭家桥遭到红十军团的袭击，李天霞率第三团从左侧背向红十军团进攻，红十军团经过英勇反击，由于伤亡过重，3次冲锋受到挫折，但斗志不减，又发动了第四次冲锋，又被敌军打败。李天霞率第三团用迫击炮和重机关枪轰击红军阵地，红军被迫撤退。在乌泥关一役中，红军顽强抵住了李天霞部进攻。12月15日，红军被迫撤走，红十军团副军长兼十九师师长寻淮洲在这次战役中身负重伤，光荣牺牲。由于补充旅的战绩卓著，受到蒋介石的嘉奖。1935年1月，李天霞率部随补充第一旅追击红十军团到怀玉山，并将3个团分成左中右从怀玉山北部向南搜捕红军，李天霞第三团为右，逮捕了红十军团二十一师师长胡天陶，不久送往南昌被蒋介石杀害。此后，补充第一旅受到了蒋介石的嘉奖，并令该旅调往西安，参加胡宗南部对中央红军北上的堵截。

1935年春，红四方面军为策应中央红军北上抗日，向平武、松潘方向发展，蒋介石令胡宗南第一师前往追击，同时调王耀武第一补充旅前往支援，李天霞随王耀武补充旅加入了胡宗南追击红四方面军的序列。在向松潘进军过程中，李天霞团担任最后掩护。松潘一役，胡部几乎遭到全军覆灭，后因王耀武等部救援，才退出松潘，回甘肃。王耀武率第一补充旅仍回旧建制。1936年6月，王耀武的第一补充旅改编为新编十一师，王耀武任师长，李天霞任旅长，8月新编十一师又改为陆军五十一师，王耀武仍为师长，李天霞为一五三旅旅长，参加“围剿”陕北工农红军的作战。

1937年抗日战争全面爆发后，8月日军进攻上海，遭到守军顽强反击，为了增援上海抗战，王耀武五十一师调往上海，参加对日作战。当时五十一师隶属七十四军，为陈诚第十五集团军左翼军。五十一师到达上海后，立即投入罗店，增援十一师作战，巩固罗店防线，给日军以沉重打击。11月，日军在杭州湾登陆，企图对上海实行大包抄，中国军队全线撤退，五十一师由罗店向后撤退，并掩护上海参战部队撤退。掩护任务完成后，王耀武率五十一师官兵经苏州、武进、句容，向南京撤退。到南京后，七十四军军长俞济时本打算率部到较安全的地方进行休整，未被蒋介石批准，遂被编入保卫南京的序列。根据唐生智的命令，七十四军占领淳化镇、牛首山一带的陨设阵地，加强工事，严密警戒，防敌来犯，同时令王耀武五十一师占领淳化镇，五十八师占领牛首山。12月，五十一师官兵一边抢修阵地，一边同敌相遇，双方展开激战，在淳化镇一役中，五十一师官员经过英勇反击，于1937年12月9日被迫放弃阵地，撤至南京水西门，五十一师负责担任水西门一带的城墙及水西门外的防守，李天霞一五三旅担任沿城墙的防务，占领水西门、中华门间的城角及其以左100米的城墙阵地，坚守工事。12月12日，日军进攻水西门，虽经守城部队顽强抵抗，最后还是攻破阵地，李天霞率部从下关渡江，到滁州车站附近待命。

南京撤退后，王耀武率部调到湖北荆门整训。1938年5月，徐州会战开始后，为了阻止日军土肥原师团南下切断陇海线，成立了陇海兵团，李天霞随王耀武五十一师开赴开封一带，参加了兰封战役。兰封战役结束，1938年10月，王耀武五十一师开赴江西，参加武汉会战，在武汉会战期间，李天霞调任二十九军四十师师长，布防于沿庐山山脉和鄱阳湖西岸，在坚守庐山战斗中，李天霞师顽强抵抗，给日军以重创，粉碎了日军迂回德安夺取南昌的企图。

武汉会战结束后，李天霞重新调回五十一师任旅长，随王耀武在沼北一带同日军作战。1939年4月，率部参加了南昌保卫战，两次参加高安战役，给日军以重创。随后又与日军在大城、生米街一线激战，掩护上官云相集团军后撤休整。1939年9月，日军发动了“湘赣会战”，即第一次长沙会战，日军攻下高安后，李天霞率部随五十一师东援高安，与日军在这一地区展开周旋。第一次长沙会战结束后，王耀武因作战有功，升任七十四军军长，李天霞担任了五十一师师长，驻守远离前线的后方英岗岭、泗溪、棠浦一带整训，预作进攻南昌的准备。

1941年3月，日军发动了上高战役，李天霞五十一师同王耀武七十四军作为决战主力，准备日军到达指定地点后，与日作战。3月18日，李天霞率五十一师在经楼圩、曲水桥一线与敌激战一日，完成战役掩护任务后，撤退到红石岭地区与敌作战。日军占领高安后，李天霞受王耀武之令驻守锦江南岸泉港街、石头街一线，与日军展开激烈战斗。3月21日，李天霞率师肃清锦江南岸残敌后，率部挺进高安，在石头街战斗中，李天霞率部在敌人飞机、大炮轮番轰击下，仍坚守阵地不退，后经王耀武督其他部队增援，李天霞督部收复失地熊坊，攻克石头街、鸡公岭，迫使日军池田旅团陷入背水为阵的窘境。日军被迫撤回南昌。为了歼灭日军大贺师团，第九战区决定第二次包围日军，李天霞率部在上罗象、山原李、方头脑一线，袭击敌人右侧背，配合其他军队合围日军大贺师团。日军在飞机掩护下溃逃，中国军队收复一些失地后也停止进攻，上高战役结束。

1941年9月，日军发动了第二次长沙会战，王耀武率五十一师、五十八师等七十四军从赣西调到长沙附近。日军获得军情后，忙调重兵围击七十四军，在麻林桥一役中，七十四军遭到日军重兵夹击，王耀武率余万程、李天霞、廖龄奇3个师英勇苦战挫败敌人攻势。9月26日晚，王耀武率各师利用晚间偷袭敌军，夺回一些重要阵地，并掩护各部队退到捞山河南阵地，继续抗拒日军。日军攻占捞山河后，向长沙挺进，为了保卫长沙，薛岳令李天霞师转移到普积市南北山地向西侧击敌人，配合余、廖两师自东向西侧击日军。10月，日军撤出战斗，王耀武率李天霞各师尾随追击，遭受不少损失，第二次长沙会战结束。

第二次长沙会战后，王耀武七十四军在江西宜春地区集结部队，然后开赴广西柳州以南地区补充整训。12月8日，日军偷袭珍珠港，太平洋战争爆发，根据中、英、美、荷签订的军事同盟，王耀武率李天霞各师从广西开赴香港，配合英军保卫香港。12月25日，香港英军投降，王耀武率部北撤，参加第三次长沙会战。

1942年5月，日军发动了浙赣战役，王耀武七十四军由第六战区抽到第三战区，作为后援。5月19日，日军进攻灸州，王耀武七十四军布驻于衢州西南，配合其他守军准备对日军进行内外合击。由于日军在6月渡过赣江，占据重要阵地临川，切断了第三第九战区的联系，衢州保卫战被迫放弃。后日军进攻衢州，遭到七十四军各部的顽强抵抗，李天霞五十一师在日军进攻衢州城时，给日军以迎头痛击。日军占领衢州后，浙赣一线尽失，王耀武率部反攻上饶、广丰未果后，率部调回第九战区。

1943年5月，日军发动了鄂西会战，为了确保石牌要害防线，巩固陪都重庆的安全，王耀武率七十四军从湖南调往宜昌附近，参加鄂西之战。到1943年11月，日军又发动常桃会战，王耀武奉命将阵地交给第十、第二十九集团军，率本部李天霞五十一师、张灵甫五十八师开往桃原、漆家河间地区集结，受陈诚第六战区直接指挥，参加常桃会战。常德保卫战开始后，王耀武指挥李天霞五十一师、张灵甫五十八师在外围同日军展开激战。常德保卫战结束后，李天霞由七十四军副军长晋升为一OO军军长兼五十一师师长，率各师从广西开赴香港，配合英军保卫香港。12月25日，香港英军投降，王耀武率部北撤，参加第三次长沙会战。

桂柳之战结束后，李天霞率部驻守湘西武冈，负责保卫川黔门户。1945年4月，日军发动湘西之战，李天霞率100军在王耀武指挥下，以芷江为根据地，同汤恩伯第三方面军互为椅角，同日军二十军作战，以保卫湘黔，拱卫重庆。为了确保这次会战胜利，李天霞100军配置了山炮兵一团，对空联络台一组，布防于山口、隆回、淑浦地区，加强防御工事，对邵东、湘乡严密警戒。4月25日，日军向李天霞军阵地进攻，遭到守军的痛击，使敌人损失惨重。5月1日，中国军队发起反攻，彻底击溃了日军的进攻，湘西会战取得了胜利。

抗战胜利后，李天霞的100军改成整编八十三师，李任师长。为了争夺新编第五军军长一职，李天霞与张灵甫矛盾公开，后来谁也没当上军长。1946年，内战开始时，李天霞率部调往苏北山东战场，同陈毅领导的山东解放军展开战斗。1946年七八月间，蒋军全面进攻解放区，在苏北战役中，李天霞八十三师遭到沉重打击，李天霞受到蒋介石撤职留任处分。1947年莱芜战役后，解放军全部消灭了国民党七十三军和四十六军，蒋介石被迫改全面进攻为重点进攻。

1947年5月，国民党军队重点进攻山东解放军，国民党“王牌”部队整编七十四师充当主力，挺进孟良崮山地。李天霞八十三师为七十四师右侧掩护，但李天霞与张灵甫矛盾很大，李为了保存实力，不顾蒋介石命令，只派出一连兵冒充一旅。在七十四师右侧掩护。张灵甫七十四师被歼后，李天霞也被撤职押到徐州军法处审判。

1948年淮海战役开始时，李天霞任第一绥靖区副司令官，坐镇淮阴。淮海大战结束后，李天霞率七十三军由宣城移师歙县整训，同时负责对徽州黄山地区人民游击队进行“搜剿”，先后逮捕了众多“嫌疑犯”。1949年4月25日，李天霞率部逃跑时，将这些“嫌疑犯”的大部分活埋。南京解放后，李天霞率部从皖南出发，向浙江淳安逃跑，准备进入福建莆田，在溃逃过程中，七十三军被解放军击溃，李天霞率残部逃到了福建。

李天霞逃到福建后，蒋介石将七十三军、八十八军和第七绥靖区直属官兵合并为1个军，仍保留七十三军番号，李天霞任军长。李天霞入闽后，镇守平潭岛。1949年8月17日福州解放，李延年率亲兵十几人逃到了平潭岛。

9月15日，解放军发动对平潭岛进攻，李天霞率部逃到李延年第六兵团司令部观音澳，他建议将司令部移到海面的一艘轮船上。不久李天霞丢下李延年逃到了台湾，平潭岛遂告解放。李延年随后也逃到台湾。李延年、李天霞逃到台湾后，国民党东南军政长官陈诚以擅自撤退罪，将二人扣压。在军事法庭受审，李天霞一口咬定是奉了李延年之令才撤退的，但是还是被军事法庭判有罪。此后，李天霞被释放，曾一度担任澎湖防卫副司令。后来解除军职，死在了台湾。