1922年初，滇军内讧，唐继尧回滇复辟。3月10日，唐淮源与朱德、金汉鼎离滇。4月达重庆，投四川督军刘湘，6月，川军混战，唐、朱、金离渝赴沪，住上海孟渊旅社，不久移居苏州虎丘李鸿章祠。6月16日，晋见孙中山，后朱德赴欧学习，唐、金入粤参加北伐，始投于第三军，转战入江西。

1927年，唐淮源任国民党陆军学校南昌分校教育长。1928年10月，国民党南京政府决定整编全国军队，唐淮源调任12师副师长兼35旅旅长。1933年3月8日，升任十二师师长，督师赣皖甘宁。1936年10月，任第三军副军长兼十二师师长。

1937年抗战爆发，升任第三军军长。唐淮源治军极严，部队每到一地，明令不得惊扰百姓，滋事生非，违令严惩。9月19日，是农历八月十五，朱德与唐淮源在山西省阳泉火车站见面。随后，唐淮源所部转战燕赵，挥师冀晋，参与冀西、晋东、晋南诸役，旧关杀敌，晋南肉搏，娘子关一带予敌重创。在华北战场上唐淮源率部抗日，沉着果毅，屡挫顽敌、威镇华夏。

1938年夏，唐淮源所率的第三军，奉命由东北战场转入晋南中条山作战。中条山为兵家必争之地。国民党为了保卫这一战略要地，调集了两个集团军7个整军，一个改编旅，一个游击队，约16万人防守中条山。唐淮源所部第三军，隶属第五集团军，为滇南健儿组成，守中条山中部闻喜、夏县以东区域。自同年十月始，协友军击败敌寇13次大规模的军事进攻，保卫了潼洛。每当前方情况险恶时，唐淮源总是亲自到前方去督战，挽回了许多危局。

1939年4月17日，唐母辞世。是年秋，战事稍缓，唐淮源请假回乡奔丧，父老得知，摆案跪迎，唐淮源下马入村，跪拜恩师胡岐山，并赠银70大洋。其间，奋笔言志，写下一诗：

万里乘风去复来，只身东海挟春雷。

忍看图画移颜色，肯使江山付劫灰！

浊酒不销忧国泪，救时应仗出群才。

拼得十万头颅血，须把乾坤力挽回。

还写下了一副对联：

裹尸马革英雄事，纵死终令汗竹香

明志誓死报国，抱定与中条山共存亡之决心。

1941年3月，日军秘密从华北、华东、中原调兵，达25万以上，数倍于我，装备精良，扑向中条山，志在必取。

5月7日，日军从东、西、北三面兵分四路发起猖狂进攻，企乘背水之危，歼我于黄河北岸。中条山飞机轰鸣，炮声震天，硝烟弥漫。我军将士同仇敌忾，予以迎头痛击。因无备，无应急措施，更无后续预备部队补救。是日，我军前沿阵地即被敌军攻破数处，战场形成犬牙交错之状，我军相互之间联系配合受阻不畅。

5月8日，防守垣曲的我四十三军，阵地被破，数度逆袭，未能扭转形势，于下午提前撤退，使得日军乘虚而入，将中条山我军阵地分割成两半，整个中条山战场局势危急险恶。战区司令长官部下令撤退。

5月9日，当我军其他部队已经突围撤退时，唐淮源仍在指挥第三军将士以死相拼，以守土卫国，寸土必争的精神，沉着果敢指挥所部官兵，反复冲杀，声震苍天，气吞黄河！

5月10日，唐淮源收到撤退电令时，已经陷入重围，无路可退。唐淮源组织突围，在温峪大道与敌遭遇，展开激战于东北高地。

5月11日，第三军伤亡过半，四面受敌，粮尽援绝，后路已断。在这危急关头，唐淮源召集手下三位师长，毅然言道：

“现情势险恶，吾辈对职责及个人之出路，均应下最大之决心，在事有可为时，须各竭尽心力，以图恢复态势，否则应为国家民族保全人格，以存天地正气。”“中国军队只有阵亡的军师长，没有被俘的军师长，千万不要由第三军开其端。”

唐淮源下令以团为单位，化整为零，以分敌势，分头突围。唐亲率十二师之一部，向县山且战且走，遇到日军大部队，左冲右杀，无法逾越，不得已转向西，处于不利地势，又被敌军阻于东交口附近。敌我尸横遍野，血染黄土山河。唐淮源亲自冲在前方，我军与敌殊死决战，杀声震天。

5月12日，唐淮源率众且战且走，后来他进到樊家沟县山顶一间土屋内，身边仅有几个通信兵和报务员。唐淮源自云南讲武堂毕业投军三十年，身经百战，屡建殊勋，由排长逐级升至军长。现在身陷绝境，他以气壮山河的气概在笔记本上写下遗书：

“余身受国恩，委于三军重任，当今战士伤亡殆尽，环境险恶，总军两部失去联系。余死后，望余之总司令及参谋长收拾本军残局，继续抗战，余死瞑目矣！”随饮弹殉职于，是年55岁。

一代抗日名将唐淮源，慷慨就义，壮烈殉国，九天为之动容，三军为之哭泣。