1933年3月，日軍進佔熱河並向長城各要塞推進，第25師奉命開往古北口阻敵進犯。3月10日，日軍第8師團及騎兵第3旅向第25師陣地發起進攻，關麟征負傷，杜聿明代理師長，指揮25師繼續同敵浴血奮戰。日軍傷亡2000多人，始終未能攻破25師陣地。3月12日，杜奉命將陣地交與第2師，率部撤至密雲整補。是年秋，杜聿明進入南京中央軍校高教班第一期進修。1936年3月畢業後由徐庭瑤向蔣介石保薦到南京陸軍交輜學校任學員隊隊長。1937年，交輜學校戰車營、交通兵第2團所屬裝甲汽車隊合編，並補充一批戰車，建成國軍第一個陸軍裝甲兵團，杜聿明委為第一任團長。「八．一三」淞滬抗戰時，杜聿明率裝甲兵團第1營的2、4兩連，在上海匯山碼頭協同步兵阻擊企圖登岸的日軍，經過激戰，日軍登岸的企圖終未得呈。
1938年，裝甲兵團撤至湖南湘潭整訓，不久擴編為第200師，杜聿明任師長。他全力以赴大舉練兵，親自到營地督導編練，同時自己也刻苦學駕駛和修理，常同士兵一樣鑽到車底檢修底盤，把新發現的問題隨時提出來和大家討論，如飢似渴地探討機械化部隊的作戰戰術，逐漸系統地掌握了這一新型兵種的作戰指揮要領。在他的帶領下，全師官兵鑽研技術蔚然成風，形成了練兵高潮。當時，國民黨隨軍記者評論說：「他雖非機械專科出身而鑽研機械知識，極有心得，治軍之暇，仍手不釋卷，將來學問之造詣，興事之成功，無可限量也。」同年12月，第200師擴編成新編第11軍，杜任副軍長，移駐廣西全州。不久，改番號為第5 軍，杜升任軍長，下轄戴安闌第200師，邱清泉新編第22師和鄭洞國榮譽第1師。該軍是國民政府在抗戰初期成立的唯一的機械化新軍。杜提出：「操場就是戰場保
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