1930年，中原大战爆发，顾葆裕参与讨冯战役。战事结束后，被调入国民政府警卫军任少校参谋。

1931年，国民政府警卫军改为第五军，警卫军第一师、第二师改番号为八十七师、八十八师，驻防于京沪、沪杭两条铁路线上，顾葆裕升任该军八十七师中校参谋，该师师长即为后来的中华民国一级上将顾祝同。

1932年1月28日，日军侵犯上海吴淞地区，欲迫使国民政府承认伪满洲国，并划河北为日本特区，但遭到驻守闸北的国民革命军第十九路军奋勇抵抗。为支援第十九路军的战斗，蒋介石关照何应钦任命张治中为第五军军长兼八十七师师长，参加上海保卫战。 顾葆裕所在的八十七师当时驻防南京小营、马标一带，该部主动请缨，开往上海，在庙行一带阻击日军，展开了殊死激战。鏖战一月，日军未能得逞，后经国际联盟干预而休战。我国东北三省问题，由国际联盟调查裁处。但日本舰队仍停泊于华东外海，不时进入长江巡弋。因顾葆裕在该役中贡献颇多，甚得张治中等长官赏识。 日军因不满国联对东三省的裁处，退出国联后加紧了侵华步伐，中国处于生死存亡的边缘。国内抗战的呼声高涨，最终爆发了逼蒋抗日的西安事变。

1936年8月，顾葆裕调至三十六师任二一一团团长。西安事变结束后，他随三十六师接防西安守备，并执行安抚工作。

1937年8月13日，淞沪会战爆发，三十六师奉命连夜坐快车从西安东上，经两天两夜赶至上海。部队在每一站都受到老百姓的热烈迎送，顾葆裕及三十六师将士大受鼓舞。8月16日赶到上海，17日即投入战斗。 三十六师所打的第一仗，就是进攻八十七师与八十八师之间的天宝路一带的敌人阵地，时任三十六师师长的宋希濂亲自率部为前驱，向驻守该处的日军猛烈进攻，逐街逐屋地争夺。由于日军的防守掩体多半是精钢水泥加上沙包建成，而三十六师又缺乏有效的攻坚武器，因此伤亡颇大。其中，三十六师进攻汇山码头之役，被誉为淞沪会战最激烈、伤敌最多的战斗之一，与姚子青营长死守宝山，谢晋元八百壮士死守四行仓库，罗卓英的十八军往返争夺罗店等战役，一同彪炳史册。

据史料记载，当日汇山码头一战，国民革命军三十六师伤亡570人，日军死伤400余人。张治中在记录当日战况时这样写道：“这天虽然一度攻入汇山码头，仍是站不住脚。”“命中虽多，因无烧夷弹，终不能毁坏。”“由于火力不足，我军激战终日，终未得手。”后来日军增援部队陆续到达，三十六师开始进入防守阶段。

淞沪会战后，顾葆裕又参加了南京保卫战、武汉保卫战等重大战役，1941年5月，顾葆裕出任国民革命军八十八师师长。

1941年11月，顾葆裕的老领导宋希濂充任第十一集团军总司令，兼任昆明防守司令，指挥七十一军、六十六军以及独立预备第二师。

1942年3月，顾葆裕调任独立预备第二师师长，该师由四川叙永徒步行至云南安宁集结，担任集团军的总预备队。

1942年5月5日，顾葆裕率领预二师到达保山，见到炸死军民尸体尚未掩埋，又闻附近村落霍乱流行，居民死亡很多。顾葆裕便令预二师官兵，主动清理现场，掩埋尸体，实施消毒。在附近几个村庄，进行环境大扫除和隔离工作，并为居民及军人注射防疫针。5月7日，顾葆裕奉令率预二师，于惠仁桥强渡怒江，进攻腾冲橄榄寨。及至江边，发现桥梁已被破坏，附近亦无渡船，顾葆裕乃率兵士砍竹结筏漕渡。 5月28日，八十八师二六四团，在中缅边境龙松公路上，击毙日军大队长一名，缴获日军五十六师团的作战计划一份及地图一张，得知日军五十六师团全都在腾冲一带，分为腾北、腾冲、龙陵、腊猛、芒市、新浓六个守备区，其师团部及直属部队住在芒市，判断其兵力约为1.5万至2万人左右，并且日军大本营将要集中三个师团的兵力强渡怒江，以达到从西南方向进攻重庆的战略目的。 蒋介石得知这一重要情报后，立即下令停止攻击，将主力部队撤回，由进攻转为固守怒江。并命令预二师师长顾葆裕，进出腾冲周边地区，担任战略性游击战以牵制日军。顾葆裕总结敌后游击工作要诀：需要先不扰民，然后才能亲民保民而用民，否则必定失败。

由于顾葆裕的正确指挥，预二师在滇缅边境进行游击战的一年半中，军民合作无间，对日军五十六师团的行踪了如指掌，对日军第二师团、第十八师团的扫荡行动，也都巧妙地化解。 顾葆裕将师部设在腾北界头，又与位于腾南的芒东遥相呼应，建立起腾南与腾北两大游击根据地。在日军出入频繁的腾西北、腾西南、龙川江下游一带开展活动，配合民兵袭击日军，每一次都战果颇丰。有时，趁日军下乡扫荡之机，深入到玉璧、洞山、绮罗乃至飞凤山、来凤山一带偷袭，使得日军首尾难顾。预二师在腾冲敌后游击的一年间，多次破坏敌人交通，渡劫敌人辎重，反扫荡两次，歼敌1000余名。连日军也不得不承认：“顾葆裕带领的预二师是一支能吃苦、能战斗，对皇军威胁很大的部队。” 除此之外，顾葆裕的预二师还收容中国远征军高吉人及黄翔两部，约6000人返国，两部在缅甸与日军接连攻杀伤亡惨重。

1943年秋，顾葆裕及预二师被调至永平、大理一带，接受新式武器及新兵，被编入第六军，军长黄杰对顾葆裕及预二师十分重视。

1944年初，预二师装配完毕，又改隶五十四军，执行江防任务。

1944年，得到了大批美械装备的中国远征军，在缅甸取得了重大胜利，使得国民革命军具备了在滇西反攻日军的条件。蒋介石命令各攻击部队限于5月10日前完成攻击准备。顾葆裕和预二师所在的五十四军，被划入第二十集团军序列。国民革命军军委会命令渡过怒江的各部队，在5月底前完成准备，开始攻击腾冲地区。 6月初，顾葆裕带领预二师，接替一九八师在桥头、马面关的防务。6月9日，日军以炮兵掩护主力反扑，预二师立足未稳，阵地被日军突破。二十集团军乃令三十六师一部监视瓦甸，主力先协助一九八师于6月14日攻克北斋公房隘路，然后于16日合三师主力，重新收复桥头马面关据点。残敌向西逃窜，顾葆裕带领预二师追击至明光、固东街，将残敌全部歼灭，然后进展腾冲城西北飞凤山地区，待命攻城。 腾冲古城始建于明正统年间，城墙四面而围。墙高约8米，厚约6米，下以巨石为础，上为砖砌。城上有城垛，外有城壕。日军自占领腾冲城后，即在原坚固城池的基础上，加构了坚固而严密的堡垒群，形成了纵横交错的防御工事。城南外围之来凤山，犹如整个城池的一道巨大屏障，也是整个腾冲城的制高点。占据来凤山，即可以瞰制整个腾冲城。

二十集团军投入五个师，攻击腾冲城不下，调整兵力部署，令顾葆裕率预二师作为主力攻打来凤山。来凤山工事尤为坚固，实以来风寺为主，由五个地堡群连环构成。日军阵地内堑壕纵横相连，暗堡成群，山腰部还有遂道直通腾冲城内。其工事构筑之坚固复杂和火力配置的强大程度仅次于怒江惠通桥西岸的松山，预二师面临一场血战。 预2师受命后，在猛烈炮火的配合下，顾葆裕率领全师猛攻敌阵。但因敌工事异常坚固，炮火轰击效果不大。日军仍然以密集的火力将我攻击部队死死地压制在阵地前沿，并利用纵横相连的堑壕，不时进行短促突击，使预二师遭受重大伤亡。加之连连数日大雨滂沱，预二师行动受阻，攻击被迫停止。 7月26日，连绵大雨后的腾冲终于放晴。顾葆裕带领预二师全面进攻后，与战士们深入敌工事内，与日军展开白刃厮杀，每一个地堡，每一条堑壕地与日军进行反复争夺。因此，整个攻击就是一场肉搏战，敌我双方士兵相抱而死者，随处可见。整个来凤山山头一片火海，其惨烈之状，难以细述。战至7月28日，国民革命军歼敌600余人，完全占领来凤山。 占领来凤山意义重大，不久腾冲城即被收复。后来，顾葆裕又带领预二师，攻克龙陵、收复畹町，最终与中国驻印军会师芒友。在腾冲地区的两年间，预二师付出了阵亡将士3400多名(据《黄埔师生与抗日战争》载，预二师战死2000多人)的代价。

美国总统罗斯福授予顾葆裕将军勋章之铭文(译文)：“中国陆军少将，中国远征军师长顾葆裕，于一九四四年五月至九月间完成重要之任务，建立殊勋，顾将军率领所部，越过高黎贡山脉某一峻险难攀之地点，以切断敌人之交通。其后以勇敢之行动，攻克一俯瞰腾冲城之重要山头(译者注：来凤山)，并城内展开战斗，以迄最后胜利。该师之所以成功，得力于顾将军之英断与精明领导者为多，每当情势紧张之际，顾将军奋不顾身，留处于便于指挥之地方。顾将军之亲临前线，常予其官兵以无上之鼓舞与信心焉”。

《国殇墓园》大殿上写着将军给战友的挽联：“为民族、争生存，战死沙场、君无遗恨；痛国家、忧多难，追思袍泽、我有余哀。”