捷报传出，举国欢腾，全国各地记者纷纷前来采访。当时《中央日报》在题为《记杜聿明将军》的文章中称“我国机械化部队开始歼敌，则杜将军聿明督率始，在昆仑关大捷后，敌人开始认识到，我国军队已踏入世界近代军队行列。”昆仑关战役结束后，杜聿明在巍峨的昆仑关上建了一座“陆军第5军抗日阵亡将士纪念碑”，含着热泪亲笔楷书了400字的悼念碑文。他对记者们说：“这次抗战胜利……需要着重宣传的是，本军是民众的武力，民众是本军的父老，本军的胜利，其实也是民众的胜利。”

1941年2月，杜聿明作为中国缅印马军事考察团成员，赴缅甸、印度、马来西亚作军事考察。杜聿明在考察报告书中指出：日本截断滇缅公路，是为了达到夺取英殖民地，又封锁中国的目的，中英两军为确保仰光海港，应集结主力在缅甸边境预先构筑阵地采取决战防御。当时正在缅甸的英国驻新加坡总督波普汉中将看了这份报告书，不觉大吃一惊，问杜：“象你这样富有理智而又刚强果断的将领，中国有多少？”杜聿明自豪地回答：“俯拾皆是。”波普汉中将听后，两脚一并，给杜聿明行了个军礼，说：“那末，胜利属于你们！”

1942年初，中国派出远征军，以罗卓英为第一路司令长官，杜聿明为副司令长官兼第5军军长，美国将军史迪威为中国战区参谋长，指挥第5、第6、第66三个军在缅甸与英军并肩作战。杜聿明第5军为中路，其先遣部队戴安澜第200师于3月8日到达同古，9日接收英军防务完毕，18日在皮尤河与日军第55师团先头部队发生激烈的前哨战，歼其大部。杜聿明根据所获敌人文件，判断当面之敌最多不会超过2个师团，决心集中主力，击破当面敌人，进而协同英军收复仰光。杜并亲赴同古，指导200师固守同古，掩护我军主力的集中。3月20日，同古序战开始。一连数日，日军每天出动百余架次飞机对同古城进行狂轰滥炸，日第55师团集中主力猛攻第200师，并施放糜烂性毒气，我200师将士英勇抵抗，始终拒敌于城外。3月29日，自私自利的英国人抛弃了中国盟友，未打招呼就仓皇撤退，把同古的侧翼暴露给了日本人。第200师已在同古连续战斗12个昼夜，补给中断，而日军增援部队第56师团已到达同古附近，很快即可加入攻击，第200师有被歼灭的危险。杜聿明审时度势，决心放弃同古会战计划，令第200百师突围，以保全战力，伺机再与敌决战。但史迪威坚决反对，仍坚持以不足的兵力向敌攻击，双方争执至闹翻。在杜聿明看来，史迪威好大喜功，一心指望打大仗出风头，第200师是中国的精锐部队，也是杜聿明的本钱，拿别人的本钱作赌注当然不心痛。杜聿明未理睬史迪威的命令，命令新22师在南阳车战发动佯攻，掩护第200师撤退。第200师成功突出重围后，杜聿明令新22师在斯瓦河南北岸构筑逐次抵抗阵地，以掩护主力集中，准备平满纳会战。他根据当前地形、敌我战术特点及同古被围的教训等，制定了“利用隘路预设纵深阵地逐次抵抗优势敌人的攻击”的战术，这种战术虚虚实实，使敌人捉摸不清，不敢冒进。新22师以不足万人的兵力，抗击日军2个师团近5万人的兵力半月之久，毙上日军4500人，而自己只伤亡1500人。至16日，我军安全进入平满纳既设阵地。杜聿明的成功指挥，达到了以少胜众、以劣制优的目的，创下了抗日远征史上罕见的成功战例。

4月18日，史迪威与罗卓英决定放弃平满纳会战，重新部署曼德勒会战，计划将第5、第66军分布于长达300余公里之平曼公路上。杜聿明认为这样分散兵力，被敌人各个击破，主张要么在平满纳打下去，要么退守棠吉，守住腊戍的前方门户，反对无准备的曼德勒会战，但未受史、罗采纳，杜只得服从命令，放弃了棠吉。日军趁势占领裳吉，并于4月29日占领腊戍，从西南面截断了集结于曼德勒附近准备会战的中国远征军后方。至此，史迪威和罗卓英制定的曼德勒会战计划，还没有开始实施就宣告破产。远征军陷入三面被围困境。当天，中、英、美三方指挥官举行了最后一次联席会议，英军总司令亚历山首先宣布：英国准许中国远征军到印度避难，但入境前须申报难民身份，由英国军队矛以收容。杜聿明对这一带有侮辱性的“邀请”极为愤慨，当即站起来说：“我的部队不能接受亚历山大将军的‘好意’。既然我们从中国来，就该回中国去。我想我有自己的国家，不必上印度去做难民。我相信日本人挡不住我的道路！”说罢戴上军帽，凛然退场。4月30日，远征军各部分头实行总撤退，从此走上惨绝人寰的惨败境地。孙立人率新38师随史、罗撤往印度，杜聿明第5军遵蒋介石的命令撤向国境。各部经过之处，多是崇山峻岭、山峦重叠的野人山及高黎贡山，森林蔽天，蚊蚋成群，人烟稀少，给养困难。加以原始森林内潮湿特甚，蚂蝗、蚊虫以及千奇百怪的小巴虫到处皆是。蚂蝗叮咬，破伤风病随之而来，疟疾、回归热及其他传染病也大为流行。沿途官兵死亡相继，尸骨遍野，惨绝人寰。杜聿明亦感染重病，几乎殒命，第200师师长戴安澜因重伤殉国。8月，杜聿明率残部回国，向蒋介石请求处分，蒋却反而擢升杜为第五集团军总司令兼昆明防守司令。1945年10月初，杜聿明奉蒋介石之命用武力把“云南王”龙云赶下了台，得罪了龙云。于是蒋介石将杜聿明调离云南，于10月16任命他为东北保安司令官，接收东北。