又奉令率部转战平遥一带继续与日军作战。

    一九三八年，第三军奉令转入中条山区作战，建立抗日游击根据地，以屏蔽陇海路和陕甘门户——潼关，牵制日军兵力，威胁敌人的运输要道。当时中条山区处在日军重兵包围之中，我中条山抗日军队面对强敌，背靠黄河，环境险恶，但唐淮源将军率军来到中条山，认真巡查阵地，鼓励官兵克服困难，英勇杀敌报国。以后，日军为拔掉这颗插在其占领区的钉子，在几年中，曾发动十一次大规模的进攻，都被唐将军率领下的第三军和其他友军击退。

    一九三九年春，唐将军率军发动反攻，曾迫击闻喜县，消灭许多日军，缴获大量军用物资，沉重地打击了日本侵略军，鼓舞了山西沦陷区人民抗日的斗志。因此，日军方称中条山根据地为其华北占领区的“盲肠”部位，视第三军为我国抗战军队的精锐主力。

    一九三九年秋，唐淮源将军因作战有功被晋升为陆军第三军中将军长，辖第七师和第十二师继续坚持在中条山作战。

    不久，唐将军的母亲过世，他赶回家乡匆匆办完丧事，马上又回中条山前线，继续指挥部队赶修工事，巩固防线，坚守自己的战斗岗位。他曾对官兵们说：“吾向以老母在，善有所虑，今大事已了，此身当为国有，誓与中条山共存亡。”一九四一年春，日军为彻底消灭中条山根据地的抗日军队，拔除这颗插在他们身上的钉子，秘密集中十余万精锐部队，并作出准备在风陵渡渡河，进攻我黄河南岸的态势以麻痹我方。我方方面虽作了一定的战斗准备，并将第三十四师归入第三军战斗序列，但终因上级军事主官对敌情分析、判断不甚明确，影响了战役决心和行动部署。

    一九四一年五月七日，日军发动全面进攻中条山的战役，当时唐淮源将军率第三军主力扼守闻喜、夏县以东之结山与唐王山至夏县东南花凸村一线，与进犯日军发生了激烈的战斗，唐将军亲赴第一线指挥，鼓励官兵沉着应战，奋勇杀敌，全体官兵见军长亲上前线，士气倍增，用密集的火力射向冲锋的日军，敌人死伤累累，而防线巍然不动。

    但是，敌人在当天下午突破第三军左邻友军的王家窑头阵地，迂回冲向第三军左翼第七师的主阵地。八日夜晚，日军乘势突破第七师涧底河阵地，进袭王家河第七师司令部。唐将军得此消息，临危不惧，立刻派出有力的增援部队恢复了第七师阵地。不料，敌人乘我立足未稳，派出大量援兵，进袭住唐回村的我第三军军部，因众寡悬殊，唐回被日军攻占，接着，日军马上扑向我五集团军总部，想消灭我指挥机关，唐将军只好又遣兵牵制这股日军，与敌展开激烈的战斗。不久，第三军右邻友军左家湾阵地亦被日军突破，日军冲向涧底村皋落镇，攻占垣曲。这时，双方战线犬牙交错，各处都在激战。

    我指挥当局决定变更部署，退守第二线即设阵地，命令唐淮源率军占领罗有村、孤子岭、野猪岭至秦家村一线。集中集团军各部主力沿唐回大道迂回，全歼敌人，并派军两团在五福涧以北阵地警戒。但敌于九日占领了五福涧。

    唐淮源将军在激战中与友军失掉联络，未知敌情的变化，率军遵令南移。十日，正与由南回窜之敌相遇于温峪村附近，双方展开激烈的战斗，四周日军也得令前来参战，将唐部团团围住。唐将军见战局已危，果断决定转移外线作战，将各师以团为单位，分向三面突围，他对各位师长们说：“现在情况极险恶，吾人在事有可为之时，应竭尽心力，恢复原态势。否则当为国家民族保全人格，我已抱定不成功便成仁之决心。”话毕，他亲自率领一个团突围。

    可是，日军包围圈封锁很严，双方激战到十一日，各路突围部队均未得手，官兵死伤惨重，弹尽援绝，但他们在唐淮源将军的率领下，仍苦战不退，与日本侵略军浴血奋战。