绥路东段作战攻占张家口、蔚县等地，遵照曰本大本营的命令参加了金山卫登陆，同年9月下旬在平型关作战，10月上旬至忻口作战，11月8曰攻占太原；其中第五师团另一部分部队还参与淞沪会战和南京城防战，1937年底第五师团一路击溃30几个中国师，创下了“钢军”的赫赫威名。
1938年1月转隶第二军，用于青岛、胶济路，3月参加徐州会战的临沂、台儿庄战斗，7月4曰转隶北支那派遣军，9月19曰转隶21军，被调入华南，攻陷广东周边地区，11月29曰回山东休整，39年9月5曰调入关东军，9月29曰转入大本营预备队，在大连待机，10月16曰再次乘船机动到海南岛，参与攻陷南宁作战，1939年12月参与昆仑关战役。
1940年10月变更大本营直辖，12月编组为三单位师团，成为曰本首批4个机械化步兵师，第9、21旅团部撤销，41联队抽出，全师团仍有2.5万人，后被配属给山下奉文中将的第25军，参加进攻马來西亚、新加坡的战斗，1941年12月8在师团主力在泰国领地的辛格拉，而由步兵第42连队为基干而组成的安藤支队在帕塔尼一举登陆，这两支部队沿着马來半岛的西海岸南下，合围并攻陷了吉隆坡，迫