1944年，副师长杨伯涛升为师长，委王元直为副师长，下辖第三十一团（团长黄健三）、第三十二团（团长张慕贤）、第三十三团（团长李树兰）三团。所部驻防常德，担任常德、汉寿及滨湖地区的守备任务。同年5月，晋陆军少将。同年11月，第十一师作为嫡系主力，得到了第一批换装美械的待遇。师部直属的炮兵营改换美式75毫米口径的山炮，团部有直属的战车防御炮连，营部则配备了迫击炮排，连以下轻重机枪配备甚多，士兵使用美造卡宾枪、汤姆式冲锋枪。使得战斗力大幅度提升。

1945年4月，日军发动雪峰山战役，王元直奉命指挥第三十二团进攻山门，5月上旬，王率部向山门搜索前进，在横断隘与日军发生激战，占领了小高地，但前卫营长牛镇江负伤。次日，王元直和团长张涤暇翻越大山，袭取山门，日军溃散，俘敌20多名，缴获战马300多匹。随后，王元直率部向竹篙塘转进，断敌退路，因友军没有切断芷邵公路，当晚日军逃跑了，雪峰山战役胜利结束。美国政府授予王元直一枚勋章。日军投降后，日军第一一六师团长在投降时将所佩战刀赠送给在山门打败他的王元直，因王在昆明，由师参谋主任代收。

1946年5月，国民党对所属各军师实行整编，军整编为师，师整编为旅，王元直任整编第十一旅副旅长。6月中旬，整十一旅加入了围攻解放军中原战场的战斗，打死打伤解放军300余人。8月，整十一旅沿单县、成武、定陶一线，占领鲁西南重镇菏泽。

1947年1月8日，整编第十一旅从宿迁出发，进至碾庄圩，增援峄县、枣庄。4月初，国军向山东解放区沂蒙山区发起重点进攻，整十一旅由曲阜经泗水进占蒙阴。6月底，整编第十一旅突破了解放军八纵的阻击阵地进占鲁村，王元直功升整编第一一八旅旅长。12月30日，陈（毅）粟（裕）大军的陈赓兵团与千里跃进大别山的刘（伯承）邓（小平）大军在确山会师，开始携手作战。

王元直在日记中写道：“我军指挥官能力低劣，实非陈毅与刘伯承可比。”“兵贵神速，不尚巧迟，如国军者，可谓拙而迟矣，安能制共军哉！”半个月后，他又在日记中喟叹道：“闻此次我部不能休息一天，又折转向西南开此种运用，徒疲劳消耗兵力，于大局不知有何裨益？攻其所必趋，趋其所必救’，使国军处处被动，追随敌人。刘伯承之运用，深合《孙子兵法》，有人谓刘伯承指挥国防部，信然不谬！”

1948年3月25日，整编第十一旅旅长杨伯涛升任整编第十一师副师长，王元直接任旅长，下辖第三十一团（团长甘慕良）、第三十二团（团长王兴诚）、第三五二团（团长韩正礼）三团。5月初，整十一旅在宛西与中原野战军周旋，6月中旬又奉命增援开封友军作战，在上蔡和华野十纵阻击部队激战，虽取得一定战果，但是未能及时增援开封。不久，睢杞战役开始，黄百韬所部与华野在帝邱店激战，整十一旅冲破解放军重重阻击，进攻到淮阳一带，与第四纵队交火，迫使华野撤走，黄百韬也撤回商丘。9月，整编第十一旅恢复第十一师的番号，王元直任师长。

　同年11月4日，淮海战役开始。11月8日，王元直率部从确山出发赶赴淮海战场。中旬，第十一师进至蒙城与解放军华野六纵隔河对峙。16日拂晓强渡涡河。由于友军渡河失利，第十一师被迫退回原处，驻防于蒙城外围。几天后，由于黄百韬第七兵团被解放军包围在碾庄，第十二兵团奉命前往解围，王元直指挥部队向宿县开进。11月21日晚，第十一师奉命经双堆集向固镇西北湖沟前进。由于兵团司令官黄维为了等待上级批准其计划的命令，耽误了11个小时，以致当大军于11月23行进到双堆集时被解放军包围。

在被围期间，王元直曾向解放军发起反击，先后夺回了前周庄、后周庄、小周庄、大宋庄、小宋庄、顿庄等地。12月11日，兵团部南面的第一一四师第五十四团阵地被解放军突破，第十一师所处的兵团核心阵地暴露在解放军火力范围内。12月15日，第十二兵团在坚持了25天后决定突围。下午5时，第十一师在快速纵队坦克的配合下保护着第十二兵团的副司令官胡琏成功突围。但随即被打散，逐步被歼。16日，王元直在突出重围十余里后因与部队失散，感觉无望而吞食安眠药企图自杀，结果被解放军救起俘虏。

王元直被俘后，解放军将其送往江苏解放军官总团学习。结业后任中国人民解放军华东军区步兵学校军事教员。1950年10月，刘伯承在南京筹办军事学院，王元直被任为解放军军事学院合成教授会教员组组长，培养了许多解放军的优秀指战员。

1958年1月，王元直被授予少校军衔，并获军事学院基本系第四期毕业证书。1959年，王元直任军事科学研究部军事史料研究处中校研究员。

1970年，王元直退役遣返湖南新田务农。1987年，王元直移居上海海军第三干休所。1989年，王元直当选为上海市黄埔军校同学会理事。

1994年6月6日，王元直在上海病逝，终年85岁。1994年6月6日在上海逝世。著有《雪峰山战役部分战斗经过回忆》、《山门战役》等。