1937年, 抗日戰爭全面爆發, 由中國工農紅軍主力改編的國民革命軍第八路軍, 奔赴華北前線抗日, 陳士榘擔任八路軍115師343旅的參謀長。 1937年9月中旬, 115師進駐平型關地區後, 陳士榘被調往師指揮部, 在師長林彪、副師長聶榮臻領導下, 參與了平型關戰役的統一籌畫和指揮。 在9月25日平型關大捷中, 115師一舉殲滅日軍精銳的阪垣師團1000餘人, 抗戰開始以來, 日軍“不可戰勝”的神話就此終結。
而一個多月後, 陳士榘所在的343旅, 在山西廣陽伏擊戰中, 又開創了抗戰以來的另外一個紀錄。 這是一張在抗戰時期家喻戶曉的照片,
廣陽伏擊戰, 是343旅在旅長陳光和參謀長陳士榘的共同指揮下, 對日軍打的一場勝仗, 戰鬥臨近結束時, 一名被堵在民房內的日本軍人, 還在不斷向外射擊, 就在戰士們準備投擲手榴彈的時候, 陳士榘及時趕到了, 他提出要活捉這名日本軍人。
然而, 活捉日軍戰俘卻並不是一件容易的事。 抗戰開始以來, 在中國戰場上, 已有上萬名日軍被殲滅, 卻沒有一個人被活捉, 此前的平型關大捷, 八路軍115師殲滅日軍1000多人, 並付出傷亡600人的代價, 仍然沒有抓到一名戰俘。 明知危險性極大, 但作戰一向勇猛的陳士榘,
陳士榘上將
經審訊, 加膝幸夫是日軍第20師團第79聯隊輜重兵軍曹, 一時間, 八路軍活捉第一名日軍戰俘的事成為重磅新聞, 陳士榘也以其智勇雙全的表現, 再次引得萬人側目。
然而沒過多久, 剛剛立了功的陳士榘卻遭到了一次重創。 1938年3月17日, 343旅在山西西部發起了午城井溝戰鬥, 正當部隊向敵人發起衝鋒時, 一發日軍的大口徑炮彈落在了陳士榘身旁, 他頓時昏了過去。
經檢查, 陳士榘左臂骨折, 胳膊上嵌進了彈片,
傷癒之後, 陳士榘回到山西, 擔任八路軍晉西獨立支隊司令員。 1940年3月, 根據抗戰形勢的需要, 晉西獨立支隊轉戰山東, 編入115師, 陳士榘任115師參謀長兼山東濱海軍區司令員。
當時, 面對日偽軍瘋狂的“掃蕩”、“蠶食”和分割封鎖, 山東抗日根據地的情況異常艱難困苦, 但陳士榘在他負責領導的濱海軍區裡, 卻出其不意地多次向敵人展開反擊, 並以圍點打援的戰術, 先後奪取贛榆、莒縣、臨沂等多個日偽軍駐守的縣城,
1945年8月15日, 日本宣佈無條件投降。 那一天, 陳士榘的報國夢終於實現了——侵略者被逐出國門, 近代中國百餘年來面對西方列強所受的屈辱不復存在。