1937年抗日战争全面爆发后，方先觉被调任新组建的预备第10师任团长。这个师是由福建的新兵编练而成，师长宣铁吾。次年9月，蒋超雄接任师长的同时，方先觉也由团长升为副师长。由于这个师完全由新兵编成，所以该师长期在大后方进行训练。一直到了1940年11月，该师才奉命开赴安徽地区与日军作战。
同年12月，该师在青阳与贵池间的陈家大山与日军遭遇，双方都对此山展开了激烈的争夺战。当时师长蒋超雄决定将部队分成两路，左路由蒋超雄亲自指挥，右路由副师长方先觉指挥。在经过一昼夜的激烈战斗后，由方先觉率领的右路成功夺取了陈家大山右侧高峰，但是由于左路进攻失利，致使右翼受到严重威胁。最终，方先觉又被迫放弃了阵地，全线撤退。战后，师长蒋超雄被撤职，而在战斗中有功的方先觉则顺理成章的升任师长。
方先觉从接任师长的那一天起，即针对部队军官素质差、士兵战斗力弱的弱点，对部队进行了改组。首先他将部队里连以上军官全部换成由黄埔军校毕业的学生和有作战经验的军官，其后对部队加紧训练，严整军纪，使全师军风纪大为改观。同时他还在师部设立了军乐队，丰富了部队的 生活。
1941年，正当部队驻防株洲、渌口时，日军由武汉出动，越过新墙河向南进犯。第9战区司令长官部立即命令第10军(预备第10师在调防株洲时拨属第10军序列)尽速开赴湘北，阻击日军。预10师官兵接到命令后连续三天的急行军到达金井。就在金井，师长方先觉接到司令长官部命令，奉命“就地构筑工事，准备迎击来犯之敌”。第二天一早，预10师阵地即遭受日军的猛烈进攻，全体官兵在师长方先觉的领导下与日军殊死作战，损失惨重，但是仍有效的迟滞了日军对长沙的进犯。然而由于第10军当面的日军达3个师团的 优势兵力，第10军所属3个师最终还是撤出了阵地。战后，第10军军长李玉堂因为擅自撤退受到了撤职的处分。而预10师，则因为与日军一昼夜的血战，有效破坏了日军进占长沙的企图，却受到蒋介石的嘉奖。师长方先觉则在部队后撤整训中，要求官兵要在任何艰苦惊险的环境下稳扎稳打，坚定其“我不怕敌，敌必怕我”，“能坚持就是胜利”的信念，这一信念以后成为了预10师乃至第10军的作战理念。
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