师长柏辉章，副师长胡松林，参谋长杜肇华。 第607团，团长陈蕴瑜； 第609团，团长钟立纲； 第612团，团长陈伟光； 补充团，团长李念孙。
1937年8月下旬，102师奉命开赴江阴布防，直属张发奎第8集团军。10月初改驻虹桥、七宝镇作为预备队机动待命。10月下旬调归胡宗南第17军团序列。 此时17军团下辖之第1、第8两军在蕴藻浜与日军激战数日，伤亡惨重，光团长就阵亡两人。102师的增援对17军团来说应是即时的，但是军团长胡宗南却命令该师所属之607、612两团分别调归第1、第8军，并要这两个团强渡苏州河，防守北岸最前沿阵地。师部与609团部署于军团部附近作为预备队。对于这一命令，使本已势单力薄的黔军来说无疑遭受一次打击，官兵普遍认为102师被分割瓦解了。师长柏辉章也心知肚明，只能以实际战绩来维持102师的完整性，并且命令外调的两个团要“服从上级指挥，如有动摇军心者军法从事”。 当柏辉章知道了外调的两个团已“稳定”的汇报后，便命令参谋长杜肇华兼任步兵指挥官率领外调的两个团入夜后强渡苏州河（此时苏州河北岸已有部分地区为日军占领），归属第1、第8军序列参战。
第607团强渡苏州河时，与日军巡逻艇遭遇，双方发生激战，最终以阵亡排长两人、士兵数十的代价换取击沉敌艇两艘的战绩。这是淞沪战场中陆军与日海军战斗较为激烈的一次。而612团渡河时较为顺利。当两团强渡苏州河后留归师部的609团遭到日军右翼侧击。柏辉章立即命令补充团迂回插入敌后，施展包围战术，与日军展开肉搏，终于击退日军，同时也解除了17军团的侧翼威胁。 胡宗南倒是没想到102师能用所剩的两个团顶住日军的侧袭，于是将该师外调的两个团归还建制，并称赞102师“奋勇克敌，显树战功”。同时决定把102师正式调属第8军序列继续作战。 由于日军利用海空优势，且以坦克、炮兵支援步兵攻击，致使我军在白天根本无法作有效防御。于是102师采取白天避战，入夜夺取阵地的方针，与敌周旋。102师用这个战术在近一月的拉锯战中始终固守原线，使日军未能前进一步。
1937年11月上旬，日军以三个师团在金山卫登陆，向南京方向疾进，企图从侧面截断淞沪战场国军后路。第3战区洞悉日军企图后即下达总撤退令，命令所属各部沿京沪国道向西转移至句容阻击日军，拱卫南京。第102师于11月12日开始后撤，抵达无锡后奉命就地布防掩护主力部队后撤。在与追击日军激战一昼夜后又撤至浦口，此时该师所剩官兵约3000人。不久，南京失陷，102师于12月14日开始撤退。
1938年1月，第102师抵达陕西宝鸡整训。胡宗南拟将102师分别补充入第1、第90军，而第8军的军长黄杰因急于扩充自身实力，而所部经过淞沪会战后只能编成一个师，在知道102师有一定战斗力后，向何应钦申请将102师保留在第8军的序列，并且将该师除了变换德国和比利时装备外，还增设了战车防御炮连和迫击炮连、辎重营各一个，扩编原工兵连为工兵营；同时又得到一个贵州籍补充团编入，使得重新整补后的102师装备比成立之初有过之而无不及，兵员恢复至7000余人。按当时全国各师的装备水平来说，102师已经不差于蒋介石的中央军了。不过身为中央嫡系将领的黄杰也在102师里安插了由原税警总团改编的一个团，作为监视。整补后的序列为：
师长柏辉章，副师长胡松林，参谋长杜肇华； 第304团，团长陈蕴瑜； 第305团，团长陈伟光； 第306团，团长唐守治； 补充团，团长李念孙。 该师整补完毕后调赴大荔构筑防御阵地，继而调防潼关，担任黄河河防。
1938年5月中旬，徐州会战已呈败象，豫东战场吃紧。102师奉命开赴徐州参战。行至夏邑时发现日军，师长柏辉章仰仗全新装备和士气旺盛的有利条件，立即命令部队向日军主动出击。其中304团在韩道口辅以战防炮，击毁日军坦克五辆，缴获装甲汽车十二辆，生俘驾驶兵二人。第102师的原定任务是增援徐州友军防御，但此时徐州已被放弃，乃获令就地布防，阻击日军西进开封，掩护徐州友军撤退。第102师得令后即以304团守苇楼、305团（欠一营）守韩道口、306团守李庄、补充团驻砀山作为预备队、师部及师直部队、305团一个营驻砀山县城。
5月22日拂晓，日军开始将砀山守军102师分割包围，切断了师部与所属各团联系，102师官兵只能各自为战。其中第304团在苇楼铁路附近与敌发生激战，团长陈蕴瑜阵亡，营连级干部多半伤亡，只有该团重机枪连连长陈开本所率一部突围成功（陈开本因功升少校营长）。306团为税警总团一部新编，全无战斗经验。在李庄被围后，又遭日军坦克协同攻击，坚守两日即全团殉国，只剩团长唐守治率领残兵40余人突围而出（唐本人后被黄杰撤职查办）。305团与补充团分别在韩道口和砀山以西地区被敌包围，两团几次奋战突击，都遭失败，只得各自固守待援。而师部被包围于县城后连日遭受日军炮击，幸得305团的一个营与师直部队据守环城土坎坚守，使日军未能突入城内。
仗打到这份上，102师也已经差不多了。师长柏辉章一日数电第8军军部呈报战况，而军长黄杰却在当晚（23日）发来封“砀山不必守，砀山不可失”的模棱两可的电报，让柏辉章苦笑不得。撤，电文没明说，将来要是追究责任，轮不到他黄杰。守，这点残兵再守下去，这支黔军就真完了。 由于参谋长杜肇华自宝鸡整训时即回乡探亲未归，柏辉章就把副师长以及参谋两人召集商讨。最后认为砀山已被包围，即使硬守也是个全军覆没，而掩护徐州友军撤退的任务也已完成。不如冒军法从事的风险，保留一点黔军的种子。于是决定以副官主任曹冠英指挥师直部队与305团曹文杰营，以特务连为先头，于次日（26日）凌晨三时开始突围。
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