1938年，装甲兵团撤至湖南湘潭整训，不久扩编为第200师，杜聿明任师长。他全力以赴大举练兵，亲自到营地督导编练，同时自己也刻苦学驾驶和修理，常同士兵一样钻到车底检修底盘，把新发现的问题随时提出来和大家讨论，如饥似渴地探讨机械化部队的作战战术，逐渐系统地掌握了这一新型兵种的作战指挥要领。在他的带领下，全师官兵钻研技术蔚然成风，形成了练兵高潮。当时，国民党随军记者评论说：“他虽非机械专科出身而钻研机械知识，极有心得，治军之暇，仍手不释卷，将来学问之造诣，兴事之成功，无可限量也。”同年12月，第200师扩编成新编第11军，杜任副军长，移驻广西全州。不久，改番号为第5军，杜升任军长，下辖戴安阑第200师，邱清泉新编第22师和郑洞国荣誉第1师。该军是国民政府在抗战初期成立的唯一的机械化新军。杜提出：“操场就是战场”，“平时多流汗，战时少流血”，要求新军具有“五除”（除骄、惰、伪、欲、恶）、“三习”（习精、诚、勤）的朝气。在杜聿明的训练下，第5军的战术技术日有长进，被重庆军事委员会列为全国第一。

1939年11月17日，为截断我西南国防交通线，日寇在防城、北海登陆，进占钦州，发起对华南的攻击。11月24日，号称“钢军”的日军板垣第5师团之中村正雄12旅团进占南宁，一个月后，又攻陷桂南战略要地昆仑关。12月16日，杜聿明奉命率第5军反攻昆仑关。这是第5军组建以来第一次参加大规模的战役，杜聿明要求各师长：“督促本部官兵奋勇向前，一举消灭敌人的”钢军“，打出我们第5军的威风来，让日本鬼子知道中国机械化部队的利害！”18日拂晓，在战车、炮火掩护下，第5军对昆仑关守敌发起猛烈攻击。郑洞国荣誉第1师担任主攻，与日寇展开白刃战，首先占领了仙女山。当夜各部乘胜进行夜袭，占领了昆仑关。可是，19日午后，日军在大批飞机掩护下发动反攻，昆仑关又被敌夺去。此后，双方反复争夺，伤亡惨重。杜聿明亲临前沿阵地指挥战斗，他运用灵活战术，机动作战，随时调整作战部署，成功地包围了昆仑关之敌。日军凭着“钢军”武士道精神和所占优势地形，顽固抵抗。杜聿明经过缜密的分析，决定采取“要塞式攻击法”，稳扎稳打，缩小包围圈，一口一口地吃掉敌人。从23日起，敌虽增援2个大队的兵力，旅团长中村正雄亲自督战，也不能挽回败局，反被当场击毙。第5军相继攻克同兴堡、罗塘堡、653高地。第200师师长戴安澜亲自督军奋战昼夜，前赴后继，终于夺取了界首阵地。杜聿明情不自禁欢呼：“昆仑关大门打开了！”31日，邱清泉新22师以凌厉攻势突入昆仑关，这次战役遂以中国军队的重大胜利而告结束。日军1个旅团长、2个联队长、3个大队长被击毙，班长以上军官死亡达85%以上，士兵死亡4000人，被俘100余人。旅团长中村正雄临死前在日记本上写道：“帝国皇军第5师团第12旅团，之所以在日俄战争中获得了‘钢军’的称号，那是因为我的顽强战胜了俄国人的顽强。但是，在昆仑关，我应该承认，我遇到了一支比俄更强的军队……”