1937年7月28日，宋哲元從北平撤到保定。報到后，宋哲元被任命為第一戰區(正、副司令長官是蔣介石、程潛)第一集團軍司令，二十九軍各師也隨之升格(三十七師升格為七十七軍，馮治安為軍長﹔三十八師升格為五十九軍，宋哲元兼任軍長，由李文田代理﹔一四三師升格為六十八軍，劉汝明任軍長)。宋又到馬廠收攏二十九軍撤出的部隊，此時他已經出現頭暈、站立不穩的情況，隻好坐著，召見各旅旅長點名，當點到阮玄武沒來報到時，宋哲元說了一聲“丟人吶”，后來由馮治安代為完成此項任務。不久，宋哲元發表《告二十九軍官兵書》，指出“我不殺敵，敵必殺我”。鼓舞全軍將士奮勇殺敵，對全國人民表示了抗日的決心。后宋率領二十九軍與日軍磯谷師團戰斗，撤至桑園(今吳橋縣城)，抵山東地界，韓復榘部八十一師師長兼魯北專員展書堂以“保境安民”為由拒絕二十九軍入境。后部隊轉入山東臨清管界，韓復榘部六十旅旅長趙仁泉不許二十九軍借道，這時又出現了三十八師個別旅可能嘩變的情況。后宋撤退到大名，又遇上了大名失守，負責守城的何基灃自戕受傷，這使已抱病的宋哲元心力交瘁，病情加重，但他仍拖著帶病之軀，帶領二十九軍由道口、新鄉、焦作、獲嘉，最后退到豫晉邊境。
1938年正月，宋哲元轉到河南信陽，后又退至山西境內。隨行的多是高級幕僚，有秘書長王式九、前北平市長秦德純、前河北高等法院院長鄧哲熙等。剛離開信陽，日機跟蹤而來，一天早上，又遇日機多架來襲，宋哲元穿著睡衣，被人從床上拉出來，霎時間連他剛睡過的床也被炸飛了。宋哲元身體愈來愈差，血壓升高，又因他不信西醫隻吃中藥，治療效果不明顯，此時已不能長時間站立著說話。在得到第一戰區司令長官程潛同意后，宋哲元將軍隊指揮權交由馮治安負責，由其帶領二十九軍繼續抗戰。宋率領幕僚渡河到了鄭州。
宋哲元到鄭州后，軍事委員會就明令取消了第一集團軍的番號，任命宋為第一戰區副司令長官。在鄭州住了幾個月后，俞飛鵬來鄭，宋哲元遂同俞一塊兒到漢口見蔣介石。蔣介石請宋哲元吃飯，宋哲元到了之后坐在椅子上，說自己不能吃飯，蔣介石以為宋哲元吃不慣米飯，吩咐換饅頭，但宋說饅頭也不能吃了。這時蔣介石才發現宋哲元的舌頭僵直，嘴也歪了，於是安慰他，同意他離軍養病。
宋哲元到南岳休養。雖身在后方，卻心系抗日前線，縱不能到前線與敵厮殺，唯撰寫抗日文章抒發未酬壯志。他曾在衡山麻姑橋邊的石壁上刻“不教胡馬度衡山”一行大字，表達自己對日寇瘋狂入侵的無比憤慨。並在旁邊刻“臥虎”二字，其寓意為臥虎藏林，他以“臥虎”自比，養精蓄銳，期待重返戰場，逞威有日。另外，他又念起昔日的戰友佟麟閣和趙登禹。為了紀念兩位在南苑抗戰犧牲的親密戰友，1938年10月，宋哲元在南岳修建“雙忠亭”，並立碑，用毛筆親手撰寫碑銘。
1938年秋，宋哲元到廣西陽朔，派秦德純到重慶見蔣介石，辭去第一戰區副司令長官，蔣任命宋為軍事委員會委員，設一秘書、一參謀、一副官和四個衛士，每月經費3000多元。此時的宋哲元已經沒有實際的政治權力，而且病情加重，但他仍能分辨是非。如石友三在濮陽一帶盤踞，不聽從中央指揮，且與日本軍方勾勾搭搭，宋作為其老上級，打電報勸他服從中央，不可自作主張，更不能與日本軍方勾結。再如汪精衛由重慶到上海，投降日本，淪為漢奸時，宋哲元打電報給蔣介石，極為憤慨，說這是叛國投敵。
宋哲元侍母至孝，1939年春，他搬至灌縣養病，十分想念遠在天津淪陷區的老母親。游青城山時，他在山下買了一根拐棍，刻上一首詩:“前歲辭親日，中原板蕩秋。敢輕離老母，無奈賦同仇。但願常服侍，羞看此杖頭。待兒歸去后，常伴我娘游。”並刻上自己的乳名“濕”，托人帶給母親。宋母見后，知道是兒子送來的，非常珍愛，從此這根拐棍從未離開過宋母身邊，直至死后隨葬。
宋哲元到四川后，想要重返戰場，繼續抗日，但蔣介石對他態度極為冷淡，只是讓其安心養病。后來，蔣介石在成都召開軍事會議，所有的軍事首長都參加，卻沒邀請住在灌縣的宋哲元參加。宋因蔣的冷落很受刺激，病情加重。家人請中醫針灸，給他服中藥，但是並未治好，他的病已經入肝臟。
1940年燈節后，宋哲元帶領家人、部下到綿陽，此時宋的身體、精神都大不如從前。陽歷二月的綿陽，仍然十分寒冷。一天宋哲元腹瀉，半夜起身到外面如廁，受了風寒，引發舊病吐血，之后身體狀況越來越差。在病重期間，他仍不忘抗戰，發出的囈語也是抗戰。1940年4月5日，病逝綿陽，終年55歲。
宋哲元死后，各方吊唁，國民政府追贈他為一級上將。
蔣介石以軍事委員會主席的名義親筆題寫了挽聯:
砥柱峙中流終仗威稜懾驕虜﹔星芒寒五丈不堪殄瘁慟元良。馮玉祥為他親題墓碑，並撫棺大慟說:“明軒身后太蕭條，他真正做到了岳武穆所說的文官不愛錢，武官不怕死……”並贈送“乾坤正氣”挽幛:
共患難三十年直如左右手自長城戰役挫敵峰鐵錚錚同服有膽﹔
抱疾疚一二載曾作奮斗思聞西蜀電函告噩耗天夢夢莫名傷心。
卅載故交相期報國﹔一生革命未嘗后人。中共中央副主席周恩來亦親筆題寫挽聯:
失地收未回虎威昭垂盧溝月﹔綿陽驚不起鵑聲啼破錦江春。第十八集團軍總司令朱德、副總司令彭德懷亦題挽聯:
一戰一和當年變生瞬間能大白於天下﹔再接再厲后起大有人在應無憂乎九泉。2002年，宋哲元的故鄉山東省樂陵市為他立了銅像。2005年9月3日，國家主席胡錦濤在人民大會堂贈予宋哲元親屬抗日英雄紀念章。
宋哲元為后人留下了兩份遺產:一份是1937年宋哲元用給母親做壽的三萬元交給北平市政府，在天橋附近購買土地，蓋了140間平民住宅，廉價租給窮苦人居住，創地方官員給窮苦百姓建廉租房之始﹔另一份是宋在1933年在河北省遵化石門鎮買了五十八畝半土地，為長城抗戰烈士修筑了烈士陵園並立碑紀念，現為唐山市管文物保護單位。（李惠蘭）
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