刘湘更大的贡献则在于带领四川军民参与了全民族抗战。自1931年“九一八”事变以来，中华民族的存亡危机日甚一日，抗日的呼声响彻全国。毛泽东对此曾有一段经典表述：“中日矛盾变动了国内的阶级关系，使资产阶级甚至军阀都遇到了存亡的问题，在他们及其政党内部逐渐地发生了改变政治态度的过程。”刘湘的“表现”正好印证此言：1936年12月12日，张学良、杨虎城在西安“兵谏”蒋介石，轰动全国。刘湘对张、杨的行动非常支持，对共产党“不计前嫌”，主张“释放蒋介石”更是感动不已。1937年2月，南京召开了国民党五届二中全会，刘湘在会上大声疾呼：集中人才，精诚团结，解放言论，发扬民气。对当时成都的抗日救亡运动，刘湘也予以积极支持。

1937年7月7日，卢沟桥事变发生，中华民族进入了“全面抗战”的阶段。7月10日和13日，刘湘两次向南京中央“请缨抗战”，7月14日更是通电呼吁“全国上下，同德一心，共赴国难”。第二天，他命令自己直辖的各军于三日内回到各自的驻地整军备战。8月7日，刘湘代表四川赴南京开“国防会议”，公开承诺四川“所有人力、物力，无一不可贡献国家”。他向与会的各省代表宣布，四川可出兵三十万，供给壮丁五百万和粮食若干万石。消息传出，大大振奋全国人心。

从南京一回来，刘湘马上约集自己的“同事”们——幺爸刘文辉、邓锡侯、孙震、李家钰开会，决定川军首先派出十一个师出川抗战，后来更是增加到十五个师。其中，刘湘自己的部队有六个师。9月5日，经过整编的川军各部开始陆续出川奔赴前线，成都人民在少城公园举行了一次盛况空前的欢送大会——川军终于走上了卫国卫民的正道，怎么不令人兴奋呢？群众热情的欢送这些奔赴前线抗敌的子弟兵，为他们捐衣捐物，赠送锦旗，勉励他们报效国家。

川军先是被编为国民革命军第二路预备军，刘湘为司令；到1937年10月，国民政府军事委员会又将出川的川军划归第七战区，刘湘为该战区的司令长官。身为“主帅”，刘湘本人也在11月9日亲自赴南京指挥出川部队作战。尽管刘湘此刻的身体状况并不太好，但他不顾劝阻，还是坚持亲自到前线“以身作则”。他说，自己打了几十年内战“报不出账”，今天正好全力报效国家，既“见信于国人”，将来在历史上也能留名。

遗憾的是，刘湘到南京后不久胃溃疡复发，重病卧床。后来南京告急，又不得不转往武汉就医——刘湘对自己无法亲身参与前线指挥抱憾不已。在病床上，他仍然策划着如何尽快地把东部沿海的工厂、学校迁到四川，他叮嘱邓汉祥——当时的省政府秘书长，留在成都代行刘湘主席职权——一定要协助这些工厂购买土地，不让他们被当地地主“刁难”；他还在1938年1月1日发表《长期抗战中的四川》一文，表达了四川人民坚决抗战，“做抗战的一个忠实的后方”的决心。此后，刘湘病情日益加重，1月20日，在“出师未捷身先死，长使英雄泪满襟”的感叹中，刘湘与世长辞。

刘湘“抱憾而终”，但身后可谓“哀荣无限”：刘湘逝世的消息甫一传出，蒋介石和国民政府各部部长在第一时间即到刘湘灵前吊唁，1月22日，国民政府更明令全国，褒恤刘湘，追赠陆军一级上将，将他的生平事迹“存备宣付国史”，并举行国葬。中国共产党中央主席毛泽东发出了唁电：“国家失一栋梁，川军失一主帅”。中国共产党中央在国民党统治区公开发行的机关报《新华日报》则发表了《悼刘湘》一文，指出：

川康绥靖主任刘湘死了，抗日的积极分子又弱一个。他在过去怎样，我们可以不论，但从这次抗战开始后，他是统一战线中的一个有力分子。我们正对他抱着很大的希望，希望他率领川中健儿和全国人民共同奋斗，争取民族解放的胜利。现在不幸死了，虽然遗嘱勉励川军抗战到底，全川健儿，定能承继这个遗志不断奋斗，后继的英勇将领不患无人，但终究是抗战的一个损失，我们谨向刘将军的（英）灵敬献民族解放的敬礼！

刘湘可以感到安慰的是，川军出川抗战并未因其过早离世而夭折。八年抗战中，先后出川投入抗日前线的川军共六个集团军另两个军一个独立旅，约四十万人。素来被人视为“只知内战”、“不堪一击”的川军，这回却真真切切的让国人见识到，什么叫“川人出川惊海内”。这支“草鞋军”初到前线时，国民党中央军的将领们，甚至连同为“杂牌军”的东北军、晋绥军（即阎锡山的部队）的将领纷纷“拒绝指挥”，说他们是不能打仗的“双枪兵”。在东部诸如《申报》、《大公报》等报刊记者的笔下，西南军阀的部队通常都是一手步枪，一手“烟枪”，是不吸大烟不能打仗的部队。据说来自湖南的程潜将军——此公既为国民党元老，更以日后在湖南省主席任上“起义”的举动闻名于世——干脆表示，自己不要四川的这帮“兵痞”。

但很快，四川来的这些“兵痞”便让人刮目相看了。首先出川的郭汝栋和杨森部很快便投入了战况惨烈的淞沪战场，尽管这两支部队在四川省内还算是“劲旅”，可无论是日本人还是国民党中央军，对于这帮四川部队想来都是瞧不上的。郭汝栋属下的第四十三师一个连仅有八九十人，只有一挺机关枪和五六十支步枪，一些枪因为使用过久，来复线都没有了——这意味着命中率将会很差，还有些步枪不得不用麻绳系起来以防失落。可就这样的部队，却在日本人的飞机大炮面前死战不退，在上海大场阵地坚守七个昼夜，被誉为国军参加淞沪抗战七十多个师中成绩最好的五个师之一。但得到这个荣誉的代价却是：该师由战前的四千人锐减至战后仅七百人。杨森指挥的二十军在淞沪会战中也坚守阵地，屡挫强敌，但该军也为此付出了伤亡七千余人的代价——二十军总兵力不过三万，其中团营长二十余名，连排长多达两百余人。随后在保卫南京的战斗中，作为刘湘嫡系部队的二十一军，在广德战役中浴血奋战，为南京保卫战和大批机关学校物资的西撤赢得了时间。此战中，一四五师师长饶国华中将战死殉国，更成为了川军出川抗战后首位殉国的高级将官，为全国人民所传颂。

川军出川抗战中最光辉的一幕出现在1938年的台儿庄战役中。当时，日军从山东向战略要地徐州进攻，属于川军序列的第二十二集团军（司令孙震）担任正面防御。3月14日，日军主力大举进攻徐州北面门户滕县——此处由第二十二集团军一二二师防卫。来犯日军为一精锐师团，兵力装备都占绝对优势，战斗力也极为强劲，按说以滕县区区两师川军实在无法匹敌。然而，在师长王铭章的率领下，川军在滕县硬是与日军血战了五天。最终，师长王铭章、参谋长赵渭滨等主要指挥官全部壮烈殉国，川军伤亡近万人，部队损失殆尽，然而川军却成功将日军的一个精锐师团拖在小小的滕县达五天之久，还毙伤日军四千余人。川军的壮烈牺牲换取了随后的大捷——被川军打的筋疲力尽的日军随后在台儿庄遭遇了第五战区司令长官李宗仁所率领的部队，被歼灭万余人，这就是著名的“台儿庄大捷”。李宗仁事后感叹：若无滕县之固守，焉有台儿庄之大捷！王铭章的殉国震动全国。国民政府明令褒扬，追赠为陆军上将；王将军的灵柩返回家乡新都，沿途各城市都举行了公祭；国共两党的主要领导人都赠送了挽联和花圈，《新华日报》撰文说，王铭章是黄帝的优秀儿孙，保国卫民的英勇战士。

当然，除了饶国华、王铭章外，川军还涌现出了诸多抗战英烈。如1943年10月，日军调集九个师团和大批伪军，进攻湖南常德，中国军队顽强抵抗近两个月，最终常德失而复得。此役中国军队伤亡惨重，刘湘的嫡系将领，第四十四军师长许国璋亦壮烈殉国。1944年5月河南会战，当年川军的“一豪”，此时身为集团军司令的李家钰，面对优势敌军追击，他亲笔写下“男儿欲报国恩重，死到沙场是善终”的诗句，毅然主动承担起“殿后”任务，掩护各友军撤退。他对属下说，我们吃了河南老百姓四年的饭，现在不能见了日本人就跑。否则，怎么对得起老百姓？李家钰率领部队在豫西新安、渑池等地与日军周旋，屡立战功，却不幸在陕县附近遭遇埋伏，中弹殉国。李家钰和1940年阵亡的张自忠将军一起，成为整个抗战期间中国军队阵亡将领中官职最高者。

当然，四川对抗日战争最大的贡献，不仅在于贡献了大量的川军，还在于为举国抗战提供了一个坚实的后方基地。1945年10月，《新华日报》发表《感谢四川人民》的社论，深情地说：

四川人民对于正面战场，是尽了最大最重要的责任：直到抗战终止，四川的征兵额达到三百零二万五千多人。四川为完成特种工程，服工役的人民总数在三百万以上。粮食是抗战中主要的物质条件之一，而四川供给的粮食，征粮购粮借粮总额在八千万石以上；历年来四川贡献于抗战的粮食占全国征粮总额的三分之一，而后征购与征借亦自四川始。此外各种捐税捐献，其最大的一部分也是由四川人民所负担……仅从这些简略的统计，就可以知道四川人民对于正面战场送出了多少血肉、多少血汗、多少血泪！

据统计，抗战最困难时期，四川负担了国家财政总支出的大约30%。八年抗战国家总计支出14640亿元（法币），四川就负担了约4400亿元。四川出粮也最多，仅1941年至1945年，四川共征收稻谷8228.6万市石，占全国征收稻谷总量的38.75%、稻麦总量的31.63%。可以毫不夸张的说，无论是川军出川抗战，还是将四川建设为民族复兴大后方，刘湘所开启的四川人民参与抗战的进程，对于中华民族取得这场拯救民族危亡斗争的胜利，具有极其重要的意义。