1931年，九·一八事变爆发，东北沦陷，他认识到身为军人责任的重大，为国土沦落敌手而深感耻辱。次年1月28日，日寇突然向闸北地区发动进攻。齐学启率部驻防上海，配置在市区各要点。上海战事爆发，齐学启率领宪兵第6团参加了战斗，配合上海守备部队，坚守阵地，给来犯之敌以迎头痛击。因战斗激烈，齐部损失很大，但官兵们仍然斗志旺盛，一直坚持战斗。

3月4日，上海正式停战。5月5日，国民党政府与日寇签订“上海停战协定”。规定：上海战事结束后，在停战区内，中国军队全部撤离，治安则由保安团及警察维持。由是宪兵第6团改编为上海市保安总团第2团，卫戍上海市中心区，齐学启仍任团长。1937年8月13日，日寇再犯上海，齐学启率部参加了战斗。次年，调任税警总团参谋长。

1942年春，税警总团改编为新38师，该师师长即是孙立人，齐学启调升副师长兼政治部主任。奉命自滇入缅，协助盟军作战。4月16日，英军第1师及战车营在缅北但安羌地区被日军包围达两昼夜，弹尽粮绝，岌岌可危，英军第1师师长斯高特一再告急求援，中国远征军奉命援救英军。当时，远征军新38师驻扎在乔克巴当，接到命令后，该师第113团星夜驰援，向日军一个大队展开猛烈的攻击，将其击溃，把被围英军数千人从危难中解救出来，此役轰动了英伦三岛，取得了中国远征军入缅以来的一次重大胜利。师长孙立人、副师长齐学启、113团团长刘放吾和各营营长，分别获得中、英政府的嘉奖。

仁安羌战斗后，齐学启带领部队奉命转移至卡萨、温早之间，与敌军展开战斗，战斗非常激烈。齐学启奉杜聿明军长命令前往卡萨指挥作战。11日，部队从卡萨撤退，按原计划向卡萨铁路以西的山地转移。此时齐学启因赴第5军军部联络工作，与新38师部队失去了联系，只得随同第5军军部行动。

转至曼西时，见有新38师在卡萨负伤的官兵十余人，他们曾随第5军野战医院前进，抵曼西时落伍，无人照管，处境十分艰难，齐学启收容了他们，然而却又失去了与第5军军部的联系。于是，齐学启毅然决定，带领这些负伤的官兵，向更的婉江之荷马林方向前进，寻找新38师部队。19日，他带领十余名轻、重伤员，抵达了孟坎。在乌有河（更的婉江上游的支流）畔，为了减轻负伤官兵的痛苦，他砍伐竹子做了竹筏，让全体伤员乘坐其上，顺流而下。

23日在荷马林上游．齐学启等人遭遇日军，在这危急时刻，他面无惧色，沉着地对负伤官兵说：“昔日成功，今日成仁，此其时矣。弹尽，各自裁。”表达了官兵们坚决不做敌寇俘虏的决心。经过激战，十余名负伤官兵全部英勇殉国，齐学启也中弹负伤，倒在血泊中，昏迷不省人事。日军发现昏迷中的齐学启为中国军队的高级将官时，立刻为其裹伤，并将他送至联队长处，虚礼以待。