1937年8月,率部參加淞滬抗戰,奉命守衛軍工路,與日軍激戰4晝夜,多次打退敵人的進攻。
1938年,參加武漢會戰,負責守衛武漢外圍田家鎮要塞。
1939年,參加第一次長沙會戰。作戰中,他英勇頑強,指揮得當,屢建戰功。
1940年,升任國民革命軍第七十四軍五十七師少將步兵指揮官。
1941年3至4月的上高會戰,是正規軍在抗戰中的一部華彩樂章,而李翰卿部在這次會戰中表現極為出色。3月中旬,日軍出動兩個半師團由安義、西山萬壽宮、流湖分北、中、南三路向上高分進合擊。中國守軍則在上高東北方向環設三道防線,準備層層阻擊,誘敵深入,各個擊破。李翰卿奉命率部奮勇阻擊,打退日軍的進攻。23日至25日,又與日軍在白茅山等地展開血戰。日軍先用飛機低空轟炸掃射,繼以步兵衝鋒,李翰卿等拚死力戰,各要點屢失屢復,最終將日軍止於石洪橋、下坡村、土冢之線。這時,南北諸路中國守軍一齊向上高外側日軍壓來,將敵圍困。被圍的日軍,更急突破五十七師陣地,利用地空火力將其陣地工事完全炸毀。李翰卿鼓勵士兵,浴血奮戰,堅守陣地,日軍終究無獲。在其他中國軍隊的強大攻勢下,日軍死傷慘重,殘部突圍北逃,上高保衛戰取得重大勝利。
1941年9月,第二次長沙會戰開始,他率部隨七十四軍從江西馳赴長沙增援。在長沙北面撈刀河與日軍遭遇,展開激戰。27日,奉命率軍部預備隊第一七一團及野戰補充團在春華山以北襲擊敵軍側背,給敵以重大殺傷。這時,日軍增援部隊陸續到達,在20餘架飛機掩護下進行反撲。他指揮所部奮勇抵抗,並率先上陣,使部隊士氣大振,敵軍攻勢受挫。血戰中,他不幸身負重傷,仍堅持指揮戰鬥,直至壯烈犧牲。戰後,國民政府明令褒揚,追贈他為陸軍中將。