1937年7月7日，卢沟桥事变爆发后，全国迅速掀起抗日救亡运动的浪潮。在延安，中共中央发表《为日军进攻卢沟桥通电》，呼吁只有全民族实行抗战，才是出路。7月17日，蒋介石在庐山发表著名的“最后关头”的讲话，明确表示，只要还有一线希望争取和平，“如果战端一开，那就是地无分南北，无论何人，皆有守土抗战之责任，皆有抱定牺牲一切之决心”。
此时，正在丰台进行战地报道的新闻记者范长江看到，一列列车皮正在加紧运送日本兵。“中国的头二等客车，中国的司机，开着中国人民血汗钱买来的火车头，载着日本人的军队，经过中国的领土，开到中国的卢沟桥附近去打我们中国人！”接着北京、天津沦陷。
8月14日，国民政府正式发表《抗战自卫书》宣布：“中国决不放弃领土之任何部分，遇有侵略，惟有实行天赋之自卫以应之。”一天后，日本宣布全国总动员，成立作战大本营。中日之间从此踏上不分胜负不罢休的全面战争。
武汉会战，是继徐州会战之后发生在武汉外围的一次中日大战。武汉地处江汉平原东缘，踞长江与汉水之间，扼平汉、粤汉两铁路的衔接点，是我国心脏腹地，又是东西南北水陆交通的枢纽，战略地位十分重要。在上海沦陷、南京弃守之后，国民政府虽宣布迁都重庆。但政府机关大部及军事统帅部仍在武汉，这里实际上是当时全国政治、经济、军事的中心。日军大本营陆军部认为，只要攻占武汉，控制中原，就可以支配中国。于是，日本御前会议决定，迅速攻取武汉，迫使中国政府屈服，尽快结束战争。为此，日本制定以攻守武汉为目标的“速战速决”的作战计划，意在打垮中国军队的主力，摧毁中国人民的抗战意志，迫使中国政府投降。日军先后调集了14个师团，飞机数百架，火炮数百门，坦克装甲车数百辆，军舰140余艘，兵力总计30余万人。敌人兵分3路，对武汉实行大包围，左路在长江北岸登陆，沿麻城、黄陂进逼京汉路南段，形成对武汉左翼大包围；右路在长江南路登陆，经阳新、大冶，直逼粤汉路的北段咸宁、贺胜桥一带，形成对武汉的右翼大包围；加之日军沿长江水道游的战舰配合陆上作战。
国民政府军事委员会于1937年12月13日召集刘裴、吴石等在内的将领及军事专家在武汉也拟定了《军事委员会第三期作战计划》，即“保卫武汉作战计划”，决定确保武汉。1938年6月，国民政府又制定了武汉会战的指导方针和作战计划；长江以北第五战区和长江以南第九战区联合作战，保卫武汉。于是，调动130多个师，计100余万人，迎战日军。
这时，国共两党为了抵御民族大敌，进一步加强合作，在武汉召开了国民参政会第一届会议，大会庄严宣告：“中国民族必以坚强不屈之意志，动员其一切物力、人力，为自卫，为人道，与此穷凶极恶之侵略者长期抗战，以达到最后胜利之日为止。”要求全国军民“一切的奋斗，要巩固武汉为中心，以达成中部会战胜利为目标”。中国人民要保卫武汉，坚持抗战，日本侵略者要夺取武汉，结束战争，这就构成了当时中、日双方在战略上的一场决战。
吴石后来回忆：“京沪会战后，大本营移武汉，徐组长调任第五战区参谋长，余以副组长代组长，仍兼第一处处长，如是者一年，劳瘁备至……忆在汉口时，今主席（指蒋介石）每周必召见咨询一次，深为嘉许……”③
在武汉期间，吴石在幕后默默做着影响全局的情报工作，成为蒋介石的“座上宾”，得到蒋介石的赏识。蒋介石常向他咨询日军动态，对日军的看法及我方应对的办法。
随着战事的进展，国民党军已认识到敌军情报的重要性。蒋介石在台儿庄战役前的1938年1月27日参谋会议上指出情报的必要性，强调说：“现在的战争是谍报战，做好谍报才能战争得胜。到目前我们的最大失败是无能侦察，情报不正确，甚至没有资料无法判断敌情。因此，在敌情不明中抗战，一再失败。”为此，1938年8月，军令部第二厅在武汉洛珈山举办战地情报参谋训练班。这个训练班在当时是颇有影响的，作为情报专家的吴石当之无愧领取办班的差事，苏联情报专家、军事顾问瓦西诺夫等也参与办班。在办班时，吴石还邀请国民政府军事委员会政治部副部长周恩来、中共代表团成员叶剑英讲课。周恩来在百忙中到班作形势报告，他透彻地分析抗战局势，以及阐明怎样通过全面发动群众抗击敌人。指出：中国抗战，经过13个月的英勇奋战，完全证实了一个真理：只有坚持长期抗战，才能争取中华民族解放战争的最后胜利。中国抗战是长期的不是短期的，持久战的方针是确定的。日本强盗既不可能一下子把我们逼上昆仑山，我们也不可能很快的转弱为强，反守为攻，将日本强盗赶出中国。保卫武汉的战斗，从全国的形势看来，它只是第一阶段能否过渡到第二阶段的关键，而决不是能否继续长期抗战的关键。保卫武汉的战斗，固然越久越好，但绝不能在长期保卫武汉的条件尚未具备的今天，想作孤注一掷的侥幸的尝试。这不仅对于保卫法汉并无大的帮助，而对于继续长期抗战是有害的，是不利于转入相持局面的过渡阶段的。只有坚持长期抗战，加强国内团结，才是克服困难，争取胜利的的基本方针。他以他那特有的儒雅风度，侃侃而谈，纵论天下形势，在场的学员很深刻地记住这位著名的共产党人。在训练班，叶剑英讲授“游击战争概论”。叶剑英穿着那套褪了色的军装，走上讲台，讲得深入浅出，通俗易懂。他那精辟的见解，出色的口才，也深深吸引住了在场的学员。游击战争的革命意义，游击队产生的客观条件，游击战的运用……每一个单字，都在每一个学员的脑子里爬过，也都在每一个学员的笔记簿上爬过。周恩来、叶剑英到班讲课，扩大了中共的主张在中央军中的影响。很多国民党军官在同周恩来、叶剑英等接触后，才弄清了中共及其领导的革命军队的真相，从周、叶身上看到中共大有人才。学员当中有些人潜移默化地接受了中共的主张，在抗曰战争中坚持抗战，反对投降；有些人直接或间接地支持敌后游击队，开展游击战争，打击敌人。吴石在班上的讲话中指出：我方对日作战准备不足，在军队中缺乏情报和保密素养，所用四字头密码早已被日军破译，这是造成战场被动的一个原因。这一说法在学员中留下深刻的印象。后来的战局变化也证明了吴石这一分析。
这场“保卫大武汉”的会战，从1938年6月11日日军进攻安徽省的安庆起，直至10月25日日军进占武汉止，历时四个半月。中、日双方在长江沿线分五路展开激战，战线扩及皖、豫、赣、鄂四省数千里。日军集结了14个师团、3个独立旅团、1个机械化兵团和3个航空兵团，加上海军舰艇140余艘，约35万兵力。我军相对列阵，动员部署了14个集团军、10个军团和战区直属部队以及海空军一部，约100万兵力。这一战役，中日双方投入兵力之多，战线之长，时间之久，规模之大，是抗日战争中任何战役所不能比拟的。会战结束后，日军由于战线延长，兵力与资源不足，不得不放弃“速战速决”的企图，抗日战争以后便逐渐进入相持阶段。
尽管武汉期间，在吴石抗战生涯中仅仅是一段不太显山露水的片段，但是吴石作为国民党中的主战派，确实全身心投入军事谋划，为武汉保卫战有序进行幕后工作；对军事人才的培训也在他的手上经营得有声有色，特别是在国共合作的良好氛围中，他进一步结识周恩来、叶剑英等一批共产党人，从他们身上了解中共的一些立场、政策，对中共产生进一步好感。