抗日戰爭中很多王牌部隊打出了自己的威風，第5軍就憑藉自己的戰績和實力躋身於國軍五大主力之一。
第5軍有著當時所謂中國第一支機械化軍的說法，之所以如此是因為該軍編制內有相當數量的坦克、重炮和汽車，但事實求是地說第5軍也談不上是機械化，只不過特種兵的配置比普通部隊強而已。
不過第5軍的前身倒可以稱之為是機械化部隊。
1933年，國民政府自英國購買了32輛維克斯輕型坦克，以此為基礎組建了戰車營，此後還成立了陸軍交輜學校，以培養裝甲兵人才。1937年陸軍交輜學校與交通部第二團所屬的裝甲汽車隊等部合併成立了陸軍裝甲兵團，杜聿明擔任首任團長。
這個裝甲兵團下轄有1個戰車營、1個搜索營、1個準備營、1個補充營、1個戰防炮營，以及團屬通信連、特務排等部。
其中戰車營下轄有3個戰車連，第一連裝備16輛英制維克斯ME坦克；第二連裝備16輛英制維克斯兩棲坦克；第三連裝備12輛德制1號坦克、2輛指揮車以及摩托車、卡車各十餘輛。
搜索營下轄有3個搜索連，第一連裝備36輛英國和德國製造的三輪摩托車；第二連裝備36輛德制的兩輪摩托車；第三連裝備20餘輛德制“豪須”裝甲偵察車。
戰防炮營主要裝備是德國或奧地利製造的37毫米/47毫米戰防炮。補充營主要是步兵，準備營培養的是機械化儲備人才。
1938年初，裝甲兵團各部抽調到各戰場參戰後遭到一定損失，此時中國接收一批蘇制武器裝備，以蘇制武器為基礎，裝甲兵團擴編為200師，最初的200師是一支完整的裝甲部隊，而且也是當時世界上最早的裝甲師之一。
200師下轄1149團（戰車團）、1150團（戰車團）、1151團（汽車兵團）、1152團（摩托化步兵團）、炮兵52團，以及各直屬特種單位，總兵力達2萬人左右。
當時接收來的蘇制重武器幾乎全部裝備到了200師，據杜聿明回憶，200師接受了70輛T-26、4輛BT-5、此外還啟用了幾年前採購的意大利造菲亞特CV-35輕型坦克。
摩步團有蘇制BAE系列裝甲車50餘輛和大量蘇制卡車，炮兵團則有12門122毫米榴彈炮、蘇制76毫米野戰炮及45毫米戰防炮。
裝甲兵團之前的武器大都被專做教學或儲備用途，因此成立時的200師基本上是一支蘇械師。
1938年11月，以第200師為基礎擴編出了新11軍，該軍下轄榮譽第1師、新編22師、200師。
此時200師編制內的4個戰車營調出，改編為軍屬裝甲兵團。200師則改製為了步兵師單位，下轄3個步兵團和1個補充團。
新11軍的番號沒有保留很久就被賦予了新的番號——第5軍。
除了3個步兵師外，第5軍還編有2個步兵補充團、2個戰車團，以及裝甲搜索團、重炮兵團、汽車兵團、工兵團、輜重兵團各一個，總兵力達5萬餘人。僅兵員規模上就超過了兄弟部隊的一個集團軍，武器裝備上更遠超之，而論訓練水平第5軍亦為國民黨軍第一。
當然了，之前的200師可稱之為是機械化師，但擴編而來的第5軍卻不能稱之為是機械化軍，因為實際上只有第5軍直屬的那些特種團才算是機械化部隊，而第5軍主力3個師還是步兵師，只有200師保留了部分機械化裝備而已。
1939年12月，第5軍參加桂南會戰，在崑崙關一戰中，第5軍幾乎全殲了日軍第21旅團，斃傷旅團長中村正雄以下4000餘人。
由於廣西崑崙關附近地形不利於機械化部隊的使用，第5軍大多是以步兵與日軍拼死爭奪，因此也付出了傷亡、失蹤17000餘人的慘重代價，後來被迫退出戰場。
而由於兄弟部隊並沒有第5軍這樣的戰鬥力，因此雖然在崑崙關一戰獲得了大捷，但總的來說桂南會戰還是大敗虧輸。
桂南會戰中，第5軍兵員損失嚴重，但是機械化裝備損失不大，補充完畢後亦為一流部隊，並在1942年作為中國遠征軍主力出兵緬甸。
緬甸作戰中，由於英軍一心逃竄，中美英聯合指揮也出了諸多問題，因此會戰接連流產，中國遠征軍一部潰敗印度，主力自野人山潰敗回國。
第5軍直屬的大量重型武器在緬甸遺失、損毀。另一部雖然撤回了國內，但是遠征軍參謀團團長林蔚卻下令將這些戰車炸燬以阻塞道路，延緩日軍攻勢。
入緬作戰，第5軍損失了大量重型武器和半數的兵員，主力新22師留在印度，日後成為新6軍主力。而榮譽第1師也早已調出，第5軍只剩下200師可堪為主力。
第5軍雖然光彩不再，但是抵達印度的中國駐印軍卻開始裝備先進的美製坦克，在緬北作戰中這一支戰車部隊倒是真正發揮出了機械化部隊的能量，取得了較大戰果。
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