“九一八”事變后，以李宗仁、白崇禧為首的“新桂系”積極主張抗日，支持全國的救亡運動。“七七”事變爆發后，“新桂系”立即在廣西實施軍事總動員，不到一個月，桂系由原來的14個團擴編到40個團，李宗仁更表示：“目前待命者可出師20萬人，后備軍110余萬人，將來可征30萬人，可以與敵作殊死戰。”他還電告四川劉湘、云南龍云，希望他們“秉先國難而后私仇的大義，參加抗戰”，而且將自己“數年來慘淡經營而頗具規模的兵工廠及廣西桂軍，悉數交給中央統籌管理”，蔣、桂矛盾得以緩和。

抗戰期間，桂系幾乎參與過所有抗戰重要戰役(如淞滬戰役、臺兒莊戰役、武漢會戰、徐州會戰、隨棗會戰、棗宜會戰、長沙會戰、昆侖關戰役、桂林保衛戰、常德保衛戰等)。蔣介石要借用桂系力量來對付外來強敵，遂在1937年8月任命白崇禧為國民政府軍委會副參謀總長，同時將桂系軍隊整編為三個集團軍。10月20日，李宗仁就任第五戰區司令官，駐節徐州，其直轄的地區，有山東全省和長江以北江蘇、安徽兩省的大部。當時的規定，戰區司令有權直接指揮轄區內的黨、政、軍機構。歸德軍事會議后，蔣介石也就順水推舟，內定李宗仁兼安徽省主席。此后抗戰八年中，安徽的抗戰都是在“新桂系”將領(李宗仁、廖磊、李品仙)領導下進行的。

李宗仁認為，“安徽是中原腹地，政治影響甚大”，安徽雖以往“經營落后”且“大半破壞”，但民間武力甚厚，“江淮民氣”尤為可用，若政治、軍事配合，政府與人民一致，則“抗戰最后勝利之把握必能于皖省顯其端倪”。在就職當天，李宗仁就宣布：“這次到安徽，目的在發動安徽的民眾力量來保衛安徽，保衛中華民國，以達到抗戰最后勝利的目的。”他還發表《致全省各機關勵以三事電》，要求政府機構人員做到以下三點，即“第一，不茍免——勖以守土死疆之精誠，使人民知執于衛國之榮譽，改逃難怯心為赴難勇氣，忠勇守土者一體崇敬，畏難偷生者執法以繩;第二，不茍得——勖以儉以養廉之清節，使涓滴歸公，臨財茍得，營私舞弊者，破除情面，嚴懲不貸;第三，不茍安——勖以臥薪嘗膽之精神，圖抗戰之勝利，奮發救亡，劍及履及者，從優獎勵;醉生夢死，敷衍塞責者，絕不徇縱。”

李宗仁特請來了章乃器擔任省政府常委兼秘書長，負責日常工作，并邀請來安徽省內的光明甫、沈子修、常藩侯等名士，組織“安徽省動員委員會”，討論關于“如何發動皖省人民武裝抗日以及改革省政問題”。李宗仁還下令安徽省政府收容本省和蘇、魯等省的流亡學生、青年，在六安辦起了鄉鎮人員訓練班，準備結業后分發到鄉鎮工作，同時重新委派了一批縣長。李宗仁考慮到“只要民眾沒有憤怨不平之氣，社會沒有惶杌不安之象，民眾一定會起來自動為國效命”，于是下令整頓治安和吏治。他宣布鏟除“營私舞弊之貪官污吏，魚肉鄉民之土豪劣紳，不守紀律之武裝部隊，殺人劫舍之土匪強盜，敲榨善良之流氓地痞”，并諭告全省人民依法檢舉，就地告發，倘當地負責官吏延不查究，更或自身犯法者，可以隨時向他本人申訴，一經查明，立即嚴辦。李宗仁諭令各地行政人員切實禁絕4件事：“一、虐待應征壯丁，擅加捆縛毆打;二、妄征民間財物，不給賠償;三、擅拉夫役，不給工錢;四、藉征兵征工為名，斂錢肥己。”另外，還積極推進整理財政，以求杜絕貪污浪費。

1938年武漢失守前，桂系李品仙和廖磊的部隊在大別山麓擔任阻擊任務，在戰略上收到了遲滯敵軍的效果。國民政府要求五戰區所部“在以現態勢確保大別山之主戰地，積極擊破沿江及豫南進犯之敵”外，“應指定八個師以上兵力，在大別山設立游擊根據地，向皖北、豫東方面挺進游擊”。9月，李宗仁以桂系張淦的第七軍、張義純的第四十八軍為主干，加上一些地方團隊，組成了鄂豫皖邊區游擊部隊，以第二十一集團軍司令廖磊為邊區游擊總司令，并兼任安徽省主席。

廖磊到任后，基本沿襲了李宗仁的政策。國民黨主力撤出徐州后，當時的安徽臨時省會六安也面臨被迫遷移。CC系分子極力主張將省會遷向皖南第三戰區司令顧祝同的轄區，以擺脫新桂系對皖的控制。新桂系當然反對，最后將省會遷到地處大別山區、同重慶的聯系不便的立煌(今金寨)。廖磊并規定，“用人必須由省府委派，各廳不能擅自任用”，將人事大權完全掌握在自己手中。他多次向軍隊和民眾發表演講，闡述放棄武漢的意義是為了“貫徹持久戰以消耗敵人”。廖磊指出他要做9件事：“一、征辟地方紳耆，延攬人才，共濟時艱;二、妥籌難民生計，成立難民救濟會，設立難民工廠;三、蠲免淪陷區域田賦;四、推行農村合作貸款，改正農村經濟，活動金融流通;五、保障法幣流通;六、撲滅漢奸及偽組織;七、重行整編民眾武力，寇來大家出擊，無事各自歸農;八、鏟除貪污;九、肅清盜匪。”同時也向民眾提出3點希望：“一、堅定必勝信心;二、協助軍隊作戰;三、幫助政府除奸。”廖磊把民眾動員、組織工作列為首要任務，親自確定了完備的工作計劃和方針，進一步健全動委會各級機構，如在省動委會增設了文化事業委員會、婦女工作委員會，以開展敵后文化、婦女工作。廖磊還著手將各地方武裝統一改編為“抗日人民自衛軍”，分為六路，人數達十萬之眾，命他們在淮河兩岸地區向敵開展游擊。經廖磊的一番經營，安徽“竟形成令人羨慕的小康之局”，“比大后方還要安定繁榮”。

1939年秋，廖磊因高血壓逝于立煌。由于廖磊主持皖政不過一年，很多工作僅處于起步階段，李宗仁、白崇禧隨后推薦“新桂系”的李品仙繼任安徽省府主席，得到國民政府的認可。李品仙上任后強調，“要鞏固大別山敵后作戰之根據地，勢須先將安徽省加以整頓和建設，把政治、經濟、文化統統動員起來，支援軍事需要，使其成為敵后堅強的堡壘”。為了表示公正無私，他將桂系立煌、霍山、六安三縣縣長以貪污、走私罪拘拿執辦，不料卻引起其他桂系的憤慨，聯合告到了李宗仁那里，風波好久不能平息。“新桂系”控制安徽時期，曾設立了“安徽省貨檢處”和“立煌企業公司”，使之成為他們部隊經濟的兩大支柱。1941年春，湯恩伯部進駐豫皖邊，與李品仙爭奪財源。李宗仁當即告誡湯恩伯：“別的省可以由你處理，安徽的事你不能管”，但中央軍依然我行我素。由于國民黨內部傾軋，1942年底，桂系自夸為“金城湯池”的立煌，被幾千日軍攻入，一把火讓“公私財產的損失無法估計”。等到援軍趕到，日軍已自行撤退。雖然如此，通過抗戰，桂系對安徽軍政大權的控制終于建立起來。