中国陆军大学是培养高级指挥和参谋人员的高等学府，每期只招收几十名学员，郭汝瑰进校时，校长为曾任国民党陆海空军总司令部总参谋长、思想比较开明的杨杰；不久，蒋介石自任陆大校长，杨杰改任教育长。郭汝瑰继黄埔军校之后，又一次成为“天子门生”。 郭汝瑰入陆军大学不久，即因成绩优异、见解独到，受到杨杰的器重。他在陆大学习三年，以第一名的成绩毕业，因不愿到军队任职成为反共的帮凶，被杨杰推荐进入陆大研究院继续深造，并担任战史学教官。
　　1936年12月12日发生西安事变。蒋介石不得不顺应民意，与中国共产党合作抗日。郭汝瑰见为国效力的时机已到，经陆大同学推荐，到陈诚所属的第14师任参谋长，并到蒋介石筹划过对日作战的“庐山军官集训团”受训。 1937年7月7日卢沟桥事变，日军大举进犯中国，抗日战争全面爆发。郭汝瑰所在的第14师，奉命参加华北的抗战。中途因日军进攻上海，又奉命回师参加淞沪会战。 这时的蒋介石，为保卫首都南京，对淞沪会战还是下了很大的决心。不仅调集和组成了左、中、右三个方面军的近百万主力部队，与侵犯上海地区的日军坚决对抗；还自任司令长官，以激励官兵的斗志。第14师的两个旅奉命在南北塘口一线作战，该师所属42旅旅长心存胆怯，师长霍揆彰怕其误事，让郭汝瑰与其交换职务，去代理42旅旅长。郭汝瑰在数十架敌机狂轰滥炸下，率部坚守阵地，每到下级有人叫喊“顶不住”时，就冲出掩蔽部督战。并在战局危急关头，留下遗书，亲临斗志发生动摇的八十四团指挥作战。该旅与日军反复冲杀7天7夜，8000多人只剩下2000多人，阵地仍未丢失。从此，被一些同僚视为书生的郭汝瑰，就成为全军著名的战将。不久，陈诚任命郭为54军参谋长。
　　如果说在淞沪战役中，郭汝瑰还是以战斗中的勇敢机智，受到陈诚的器重，而到武汉会战时，陈诚就以善于战役谋划的眼光看待郭汝瑰了。起初，蒋介石和陈诚并没有接受淞沪战役，特别是南京保卫战失败的教训，还是根据德国顾问的建议，在武汉三镇构筑环形工事，准备死守武汉。当陈诚召开作战会议，宣布已拟定好的作战方案时，郭汝瑰斗胆直言：“此方案是步南京保卫战的后尘。这样的环形阵地，有一点被突破，必将全军崩溃，有下河吃水的危险。”他建议尽量利用山地，在武汉的外围作战，进行积极防御。到会人员对郭汝瑰的意见纷纷表示赞同，陈诚也点头称是，并指定郭汝瑰等重新部署武汉战役的作战计划。结果，武汉战役各军均因实施外围作战,未受重大损失。郭汝瑰也因此受到陈诚的特别青睐，提升他为第20集团军的参谋长，并且由陈诚推荐蒋介石批准郭汝瑰为暂五师师长。他率部参加了长沙第三次会战，并以弱胜强，受到战区司令长官薛岳的嘉奖。