1938年底，日寇侵佔包頭，威脅大西北。蔣介石任命馬鴻賓爲綏西防守司令，除綏西現有部隊統歸馬鴻賓指揮外，並由馬鴻逵部調撥一個步兵旅、兩個騎兵旅。次年，馬鴻賓赴綏西臨河就職，他察看了防區各友軍設防情況，指定了八十一軍防區範圍。部署是：軍部及其直屬隊駐臨河縣城，馬騰蛟的三十五師師部駐五原城東北三十多華里的折桂鄉，馬玉麟的一○三旅旅部駐烏鎮。
馬鴻賓在抗戰前線，首先強調兩點：一是講究軍風軍紀。要求部隊有吃苦耐勞的思想準備，要愛護老百姓。強調“觀民心之向背，知軍紀之良否”。無論行軍或駐守，任何人不準進民房，一切輜重、炊具、用具都要帶全，不準借用老百姓任何東西。一是講究戰術，他和他的軍參謀長馬惇靖經常召集軍部有關人員研究作戰計劃，把防區內外的山川地形、各部隊設防位置、火力配備等都做在沙盤上，進行沙盤戰術演習。注意部隊的構築防禦工事和射擊教育，不斷組織各部隊進行射擊比賽，他自己的射擊技術就很好，彈不虛發。對各部隊所做的工事，他都親自反覆檢查，不斷加固。馬惇靖還特別注意通訊聯絡工作，除電報、電話外，還有騎兵通訊、音號通訊、旗語通訊、火光通訊等。尤其注重夜間野外訓練，曾在烏鎮、司儀堂、烏布浪口等地進行過大型野外演習，並請蘇聯專家作指導講評。這些都對部隊的作戰能力有所增強。
1．烏拉腦包取勝
1939年夏秋之交，日寇乘汽車、裝甲車、坦克車從包頭出發，向八十一軍防地進犯。戰前幾小時，軍參謀長馬惇靖曾到烏鎮檢查防地，之後即通過電話指揮戰鬥。他命令部隊既要利用防禦工事沉着應戰，發揚火力，殺傷敵人；又要捕捉戰機主動出擊，利用地形向敵人側後迂迴。日寇開始向我軍進行猛烈的炮轟。我軍以八二迫擊炮還擊，由於舊式迫擊炮，一發射就冒煙暴露目標，敵人立即向我炮兵陣地傾瀉炮彈200餘發，我炮兵失去還擊能力。接着，敵人在大炮、機槍火力掩護下，乘坦克、裝甲車、汽車蜂擁而來。我軍固守在工事內，當敵人進入步槍有效射程以內，正在下車之際，我軍二○六團一營官兵一下子衝到敵人跟前，與敵人展開肉搏戰，把敵人打得暈頭轉向，有的沒來得及下車，就被打死在車上；下了車的，被打得死的死，傷的傷，立即鑽進車裡逃跑，日寇的死屍，則用一種特殊裝置裝上汽車拉走。我軍繳獲汽車兩輛，炮彈100多發，子彈幾十箱，少數槍支、指揮刀等，後來把繳獲的汽車開到五原縣城，老百姓寫的歡慶標語，在汽車全身貼了一層又一層，充分表現了人民羣衆的愛國熱情。烏鎮有位老藝人，編了慶祝勝利的歌曲，在街頭自彈自唱，唱詞中有這樣幾句：“咱們老西軍，打起仗來真能行。打跑了日本兵，繳獲汽車拉進五原城，全城百姓慶祝又歡迎，依靠咱的老西軍，打敗日本兵，百姓得安寧。”
2．烏布浪口失利
1940年2月1日，日寇3萬餘人，汽車、裝甲車、坦克1500多輛，飛機多架，由黑田師團長指揮，分兩路進犯綏西，一路向馬七渡口向我騎七師門炳嶽部進攻，一路向烏布浪口、司儀堂、烏拉腦包、烏鎮一帶向八十一軍防地進犯。在八十一軍二○五團陣地前沿，日寇自晨至午共結集780多輛各種車輛。然後先以3架飛機在八十一軍陣地上空偵察、轟炸，再以大炮轟擊。於是坦克、裝甲車、汽車逐漸接近我軍陣地。首先以4輛車向我二○八團陣地作試探性進攻，射擊10多分鐘，3輛車掉頭回跑，只留1輛停下不動，我軍躍出戰壕衝去，這輛車突然掉頭射擊，立即打死打傷我士兵10多人。經過這一試探性進攻之後，敵人300輛各種車輛向我陣地衝來。我軍陣地前挖有寬深3米的一道防禦溝，從烏布浪山口的山腳直到黃河北岸約20華里長，溝前還有50米寬的陷坑地帶，這對防敵接近起了良好作用，但同時又可能被敵人利用作爲掩體。日寇到達我陣地前沿，雙方激戰到天黑，互有傷亡。敵機又利用順風向我陣地不斷施放毒氣，我軍雖有土辦法防毒，但仍有不少官兵中毒，輕者可堅持，嚴重者只得送下火線，大大削弱了部隊作戰能力，而二○五團傷亡較多，戰鬥力減弱最甚。夜10時許，二○六團二營營附馬建功率兩個連，從烏拉腦包出發，經司儀堂向烏布浪口增援，由於黑夜、地形不熟，腳下發出響聲，被敵發覺，馬建功在激戰中被手榴彈炸死，但兩個連則到達陣地，與守軍共同抗敵。夜11時半左右，二○八團陣地被敵人突破，但敵人不敢貿然前進，後半夜戰況緩和。次日黎明，戰鬥又緊張起來，馬騰蛟命二○六團第一營從烏拉腦包向司儀堂增援，兩者相距七八里的開闊地，官兵們在敵人炮火煙霧中時而臥倒時而猛衝地到達司儀堂，敵人炮火越來越猛，下午1時許，敵人突破我軍司儀堂陣地，二○八團一個營被迫從烏布浪口上山撤退。
司儀堂陣地全是大沙漠，斯時又被白雪覆蓋，無自然地形可利用作掩蔽，而敵人又是陸空聯合，步炮協同節節進迫。因而我軍開始撤退即失去掌握。有的利用第二道防禦溝順溝往下撤，敵人很快佔領了溝的東頭，用機槍順溝掃射正在撤退的我軍；在另一條南北走向的洪水溝裡，敵人同樣佔領溝北頭，用機槍掃射。因此，許多官兵犧牲在這兩條溝裡。下午，旅長馬玉麟在烏鎮收容部隊，傍晚又向臨河方向撤退。師長馬騰蛟擋住各團團長，命令指揮部隊守住烏鎮，但部隊建制已亂，黑夜間根本無法指揮，只好後撤。這時，我軍官兵已兩天兩夜沒吃一口飯、沒喝一口水，天又寒冷，不少人在行走中即倒在路旁。戰後收容的傷殘人員中，光凍傷的就有700多人。
這次戰役，八十一軍從臨河一直撤退到磴口。日寇佔領了五原、臨河，直到臨河以西的黃楊木頭才停止前進。八十一軍共損失1000餘人，丟失了不少輕重武器。這次失利，當然有敵人武器兵力優於我的客觀原因，但指揮上也有問題。當時馬鴻賓正在重慶開會，師長馬騰蛟指揮不靈，各部隊協調不夠。馬鴻賓得知失敗的消息，立即趕到磴口，處理善後。對失職的二○八團團長馬鍾、該團二營營長馬希舜，帶上腳鐐押到黃渠橋撤職查辦；努力作戰的二○五團一營營長馬維麟提升爲二○五團團長，該營營附王五典提升爲營長。將收容的部隊，重新組成兩個團，補充了裝備，令旅長馬培清率領，重返後套，協同傅作義部隊繼續與日寇作戰。
3．伊克昭盟之戰
1940年，八十一軍主力三十五師和兩個騎兵連移防伊克昭盟北部。其二○五團駐新民堡一帶，二○六團駐新民堡西10餘華里的王乃召。王乃召有個康熙年間修建的喇嘛廟，名叫廣慧寺，殿宇高大宏偉，房屋很多，有一定的歷史文物價值。過去有不少喇嘛，戰爭起後，多數走散，只剩下二三十人。部隊住在寺外的荒灘上。三十五師師部駐在沙窩地的一個名叫李玉山圪堵的小村子裡，東北距新民堡十五六裡，北距王乃召七八里。軍長馬鴻賓率前方指揮所駐王乃召西約十七八里的展旦召，其餘部隊駐展旦召前面及迤西地區。2月底，黃河封凍，可以行車。一天傍晚得情報：歸綏（今呼和浩特）方面日寇軍車六七十輛滿載軍隊，已從托克托附近渡過黃河，向西進犯，在樹林臺一帶和民兵義勇軍接觸，有繼續西犯的可能，軍部電話命令各團注意警戒。早上，在二○五團陣地前一道高丘上，出現很多日本兵，推來大炮30多門，一字擺開。副團長韓哲生向馬鴻賓報告，馬指示速將部隊撤出陣地，退至西南沙窩地區。此命令還未及傳達，敵人大炮向我陣地猛轟，團直屬右翼陣地全部被毀，副連長1人、排長2人陣亡。我軍舊式步槍射程太近，無法還擊。敵人步兵即從右翼向我包抄過來。二○五團急忙後撤，前沿掩護團直退卻的一小部分士兵，陷入敵人包圍。團直退到沙窩後，馬鴻賓電話嚴厲批評該團動作遲緩，並令在門坎樑（距新民堡5華里）收集散兵，設法找所屬3個營迅速歸還建制。第二天黎明，敵人又向二○六團發動進攻，先用大炮將廣慧寺轟毀，隨之步兵進攻。守兵根據馬鴻賓指示抵抗1小時許，向沙窩撤退。此後敵人即以新民堡爲據點，分兵到沙灘地帶進行所謂掃蕩戰，並從包頭調來6個僞蒙騎兵師（每師二三百人不等），接替日軍分佔駐守。馬鴻賓命令各團，利用沙窩地軍車不能暢行的條件進行“磨盤”戰術，即敵進我退，敵退我進，與敵保持五六裡之距離，如遇有利地形和機會即予反擊。並選拔精壯二三十人組成突擊隊，夜間到新民堡附近放槍騷擾。如此相持天之後，一天上午，發現敵軍車二三十輛，滿載日兵，從新民堡出發，進入沙窩地帶，軍車即如蝸牛蠕動，無法快行。我二○五團即向西南撤退，敵兵下車步行前進。進到距門坎樑五六華里之蘭四圪堵，正面有一不甚高大而坡度較陡的山嶺，我軍和敵人都搶先爬山，爭取制高點。結果我軍搶登山頂，我駐李玉山圪堵一連騎兵也從西翼搶上山頂，一齊開槍猛擊，將搶上半山的幾十名敵人全數擊斃，敵後續部隊爬山仰攻，搶運屍體，我軍沉着應戰，以手榴彈斃傷敵人200多人。此時因雙方近距離作戰，敵人大炮失去作用，我方憑有利地形，以輕武器給敵以很大殺傷。敵人4輛坦克衝來，我軍才從兩翼撤退。日軍連夜在新民堡外焚屍，據附近羣衆說，敵人將他們的重傷士兵也澆上汽油，同死者一併焚燒，哭叫聲慘不忍聞。後來，敵人燒了新民堡和王乃召的全部民房，匆匆渡黃河北去。所餘僞蒙騎兵，我軍連續對之發起攻擊，經過1個多月、大小十幾次戰鬥，僞蒙騎兵陸續潰逃，僅餘柴登召一個據點，後也被傅作義部攻克。伊克昭盟乃全部恢復平靜。
此後，八十一軍還跟敵軍交過幾次手。1941年冬，日寇渡黃河，向包頭南桃力民、大樹灣等地進行掃蕩，與八十一軍遭遇，經兩晝夜激戰，將日軍擊退。八十一軍還數次襲擊駐包頭西面昭君墳的日軍，派小股部隊僞裝成當地老百姓，爆炸包頭以東的鐵路，阻礙日軍運行。
1942年，蔣介石任傅作義爲綏西防守總司令，馬鴻賓爲副司令。傅部防守包頭西昭君墳、柴登召一帶，馬部防守包頭南大樹灣、桃力民一帶。當年冬某夜，傅令該部郭師長率部攻克日軍佔領的柴登召。傅令八十一軍攻打大樹灣、史家營子、新城一帶的日軍。一七九團馬奠邦率部攻下史家營子，敵遺屍10餘具；另一部攻克新城。
1943年底，傅作義部隊全部接綏西防地，馬鴻賓即率部返回中寧。
1945年9月，抗日戰爭勝利。10月，國民黨政府授予馬鴻賓忠勤勳章。
抗戰期間，八十一軍還參與了一次鎮壓回民起義的活動。1939年農曆四月初，海原沙溝門宦教主的後代馬國瑞，不堪國民黨政府的壓迫剝削，糾合當地回族農民於海原艾蒿灣起義。這裡正是八十一軍防地。起義軍一開始就攻破八十一軍4個據點，繳槍60多支。後來起義軍南下涇原一帶活動。甘肅省主席朱紹良命令八十一軍馬鴻賓部，十七軍高桂滋部和五十七軍劉安祺部對義軍進行“圍剿”。同時組織回族上層人物進行說服，剿撫兼施。起義軍堅持戰鬥1個多月遭到失敗，傷亡3000多人，馬國瑞陣亡。八十一軍開始時對起義軍進行殘殺。駐沙溝八隻窯的騎兵營營長馬文奎，除對陣中打死起義軍30多人外，還把受傷被俘的起義軍20多人集體殺害。後來又展施欺騙手段，馬鴻賓派一七九團團長馬奠邦率兩個騎兵營、一個步兵營進行“安撫”。馬奠邦團部駐八隻窯，他和固原縣長郭某、海原縣長王某向羣衆出示榜文，凡是參加起義的人，都要到當地駐軍和鄉長、保長處交出武器，領“良民證”，沒有“良民證”的，立即逮捕。一場轟轟烈烈的起義，就這樣被鎮壓下去。
儘管馬鴻賓的部隊在三十年代和四十年代打了不少的內戰和外戰，但由於他先後失去了甘、寧兩省主席的位子，便沒有了紮根的地盤。他的部隊多年來只好蜷縮在甘寧邊界的中寧、中衛、靖遠一帶，受到馬鴻逵的限制，無從發展，僅得保持現狀而已。