1937年8月13日，日军在上海开始向我全面进攻，余汉谋奉命派一个军北上淞沪参加抗战。军部于1932年9月1日乃调集人马正式成立，惟该军当时只辖两个师。临出发前，余汉谋乃派教导旅彭林生部归叶指挥，同时北调。
1937年9月中旬，该军全部集中广州，乘粤汉火车陆续北上直达汉口，再由汉口乘轮东下江苏镇江，再由镇江乘京沪火车到上海附近的南翔车站下车。当时日军向吴淞口宝山一带进攻甚烈，66军马上开赴刘家行一带占领阵地，对敌作战。由于淞沪沿线濒海，受到敌人强大海军炮击，和我方采取密集队伍作战，伤亡奇重。归66军指挥的教导旅彭林生部，参加战斗冲锋陷阵不到几个回合几乎全部消灭，以后该旅剩余官兵拨归160师补充，取消教导旅的番号。不久，该军转移到广福线作战。是年11月，因右翼大战被敌攻破，并进行向我包抄，乃全线开始撤退。敌人占领上海后，长驱直入，继续进攻南京。 期间66军经过苏州、锡澄、江阴、汤山等线与敌作过短时阻击战斗，以后就退入南京城，开始城防战斗。军辖下两个师，因伤亡过半，乃各编并为一个旅，159师以林伟俦为旅长，160师以喻英奇为旅长，参加南京保卫战。由罗策群代理159师师长。
12月12日，南京城的光华门被敌攻破，军心摇动，守城司令唐生智乃下令突围。66军除159师师长谭邃因病特准和唐生智搭电船渡河过浦口外；全军上至军长叶肇，都从太平门突围到达安徽宁国集中。惟其中有一部分官兵，认为突围要从敌人后方冲过好几道防线，脱险不易，乃擅自离队向下关设法渡河过浦口。但这部分官兵，因沿河没有船只，只用门板或杉条浮水渡河，因江面辽阔，江流湍急，结果生还者极少。从太平门突围的部队，中间经过好几次冲杀和迂回偷渡死伤甚众，于1938年1月先后回到湖南集中。
军长叶肇于突围中，也被敌人俘获，乃伪扮伙夫，帮敌运输弹药，然后伺机逃脱，潜入上海某外国租界，以后乘轮返香港，入广州转去湖南防地。部队奉命集中湘东，66军军部驻攸仁县城，159师驻茶陵县城，160师也驻攸仁，该师师长原由叶肇兼任，1938年2月改由副师长华振中升充。
这场突围战中，中国军队付出巨大的代价。除了罗策群，第一六零师参谋长司徒非少将、第一五六师参谋长姚中英少将、第一五九第四七七旅副旅长黄纪福上校、第九五六团团长蔡如柏上校等将士，也皆力战殉国。他们的牺牲换来一条生路，至少有3000名将士得以突出重围。 66军在此开始整训，一面派员到广东接收新兵补充；一面训练。1938年7月间，66军又奉命调入江西省南昌参加南浔线作战，先后在德安、庐山脚、万家岭等处与敌人进行过激烈战斗。
在万家岭战役中，薛岳由于当时合围第106师团兵力不足，迫切地需要一支生力军来进行最后的“堵口袋”。武汉方面是远水难解近渴。德安附近的守备部队拖住冈村，压力更大，当然更不能动。情急间，他打起了庐山上第66军的主意。
叶肇的第66军是蒋介石专门指定放在庐山上，准备在赣北失守后留在敌后打游击用的。调66军下山作战，那岂不是在蒋介石头上动土？身边的人替薛岳担心，建议他请示武汉后再说。薛岳当然不傻。前日已从蒋介石手中强留下了74军和187师两部，如今再向武汉请调66军下山，获准的可能性实在太小。如果遭拒绝后再调，那岂不是公然抗拒统帅。66军他是一定要用的，不如索性碰钉子前再来一次先斩后奏。主意拿定，他便吩咐道：“先调再说。一边调一边向武汉请示。薛岳嘴上说得痛快，可对能否调来66军这支新生力量。他心中也没什么话，他毕竟没有军委会的上方宝剑。那年头，没有命令谁肯主动为别人卖命。出力不讨好，打败了还得再背上个“抗命”的罪名，永世再难翻身。薛岳此刻是韩信点兵，多多益善。但他想调66军下山，看来难关重重。
不知是先斩后奏的奇效，还是他踏上了顺途，一切事情都在按他最好的设想发展。原以为很难办成的事却一一迎刃而解。 军委会对他的先斩后奏采取了默认的态度，虽未明确支持，却也没加阻止。薛岳原本也没打算从军委会得到什么好听的话，只要能调来66军就行。至于66军方面，满口答应，顺利得出奇。原来薛岳的广东老乡叶肇，当初对蒋介石把该军留在敌后打游击十分不满。66军是清一色的广东子弟兵，在鄂赣地区打游击并不合适。从一支野战军降为游击部队，身份降了许多不说，语言不通，环境不熟，官兵们谁也不愿呆在敌后钻山林。所以薛岳这个广东籍长官一招呼；66军从军长到士兵，无不欢呼响应，其应战心切，甚至超过了薛岳自己手中的部队。薛岳得到意外的一个军兵力，且又是指挥顺手的粤籍官兵；叶肇借机走下庐山，避开了敌后游击的苦差事。双方皆大欢喜。
日后的战斗证明，当薛岳与松浦淳六郎直打到最后5分钟时，要不是66军，要不是先前强留的74军和187师，薛岳的万家岭大捷不过是天方夜谭，充其量也只能是兰封会战围而难歼的翻版。 中间经过一次补充，各师人事稍有更动。159师师长谭邃调升副军长，以副师长陈骥升充师长，1939年1月，160师师长华振中，因与叶不睦被调，以副师长宋士台升充师长。是年冬，敌人分兵进攻广东，未几广州陷敌，余汉谋乃籍兵力不足为名，向中央请调回粤系64、66两个军返粤参加作战。
66军于1939年春，奉命调回粤北的新丰、龙门一带，原在广东的151师林伟俦部同时也拨入66军建制，以后就地开始整训；并同时派部队在牛背脊罗浮山一带作战。
1939年秋末，军长叶肇调升37集团军总司令，仍辖66军，遗军长缺以副军长谭邃升充，副军长缺以159师师长陈骥调升，（1939年10月谭病故陈骥升军长），159师师长缺以副师长官祎升充，同时各师取消旅制改为一师辖三个步兵团，一个补充团制。 1939年冬，该军除151师林伟俦部留驻粤北外全军奉调广西柳州参加第一次桂南会战，当时159师一个团拨归第五军杜聿明指挥，在炮兵掩护下，经几次冲锋，攻破敌阵昆仑关。不久敌人由南宁调集兵力，准备从永淳渡河向我左翼包抄，阵前战区指挥当局，经命令叶肇率领66军赶去永淳布防，阻止敌人此种企图。叶肇错误地判敌不会此举，而迟迟未果开拔，当发现敌人部队已越过永淳河向宾阳进迫时，叶肇乃忽忙间带66军陈骥部（缺159师临时指挥110师）两个师，赶赴截击。但敌人主力已迫近宾阳，我后方战局大受威胁，此时军心惶慌，秩序紊乱，部队纷纷向武鸣、忻城溃退，沿途受到敌军追击和敌机空袭，损失惨重。
桂南战役惨败结束后，蒋介石亲到桂林召开高级军事会议，在会上宣布：叶肇不听命令，误失戎机，撤职扣留解办。66军军长陈骥、160师师长宋士台作战不力，均撤职查办。第37集团军总部、66军军部，均撤销番号。以后该军所辖的159、160师，奉命调回广东粤北一带归第七战区司令长官余汉谋监督整训。几个月后159师拨入64军建制，160师拨入65军建制，原留在粤北的151师拨入62军建制，粤系的66军，从此就宣告解体了。
