1941年9月，第二次長沙會戰開戰，在第九戰區司令長官薛嶽的安排下，第10軍開赴高橋、金井、福臨鋪一線阻擊日軍。
9月24日，日軍三個師團對第10軍陣地展開猛攻，經過兩晝夜激戰，第10軍損失慘重，3個陣地被攻破，無奈之下，軍長李玉堂下令撤到瀏陽河一帶，利用地形優勢，阻擊日軍四晝夜，終於堅持到援軍到來。
然而，戰後追究責任時，第10軍軍長李玉堂卻當了背鍋俠，被撤職處分，消息傳到第10軍，群情激憤，為阻擊日軍，損失慘重，就連第3師副師長賴傳湘都壯烈殉國，付出如此慘重代價，不僅得不到表彰，軍長還被撤職？
第10軍的不滿情緒，竟然讓蔣介石委任的第10軍新軍長鍾彬不敢上任，一時間，第10軍成了一支沒有軍長的部隊。
同年12月，日軍再次集結重兵攻打長沙，當時的第10軍負責守備長沙，可沒有軍長怎麼能行？無奈之下，薛嶽硬著頭皮向蔣介石提議，讓李玉堂再次接手第10軍，但此時的李玉堂，也因撤職感到強烈不公，根本不買薛嶽的賬。
無奈之下，蔣介石親自給李玉堂打電話，給李玉堂接觸了處分和表達了校長對李玉堂的信任，李玉堂這才接管第10軍。
1942年1月，日軍再次集結3個師團優勢兵力，對長沙展開猛攻，李玉堂率第10軍拼死抵抗，手下3個師長，都親自上前線督戰，激戰3日，日軍未進寸步，隨著各路國軍的阻擊，日軍多名高級軍官負傷，日軍第11軍司令官阿南惟畿無奈下令撤退。
第三次長沙保衛戰，我軍死傷29849人，擊斃日軍56944人，是抗戰中難得的勝利，第10軍得了個名號“泰山軍”，李玉堂也一戰成名，升任第二十七集團軍副總司令，與同是山東籍將領李仙洲，李延年，王耀武合稱三李一王。
抗日戰爭中，李玉堂不僅參加了三次長沙會戰，還參加了武漢會戰、常德會戰、長衡會戰等等，為抗日立下汗馬功勞。
然而，1951年，蔣介石卻在李玉堂的判決書上親筆寫下一個“恥”字，李玉堂與夫人陳伯蘭被押赴刑場槍決，這究竟是怎麼回事呢？
原來，在解放戰爭後期，李玉堂擔任海南防衛副總司令、東路軍總指揮、32軍軍長三大要職，如此重要的人物，當然是解放軍爭取的對象，通過李玉堂的妻子陳伯蘭和內兄陳石清，解放軍與李玉堂取得了聯繫，但李玉堂一直沒有下定決心起義。
後來海南戰役爆發，聯繫中斷，此事便不了了之，1950年4月，李玉堂帶著殘部退到臺灣，退到臺灣的李玉堂被撤職，不久，李玉堂負責策反工作的隨從副官李剛暴露，酷刑之下，供出了李玉堂的夫人與內兄陳石清，得知消息的李玉堂，立刻給陳石清寫了一封信，讓陳石清趕緊逃命。
不巧的是，這封信被特務截獲，李玉堂因此被捕，負責審理此事的是錢大鈞，錢大鈞根據相關條例，給李玉堂判刑15年，但蔣介石批示時，卻寫了個大大的“恥”字，既然是“恥”，那就只有死路一條。
1951年2月5日，李玉堂和夫人陳伯蘭在臺灣臺北碧潭刑場被槍決，享年51歲，臨死前留下遺書：“......我無對不起國家之事，國家如此對我，於國家何益？......一生為國，如此下場，心有不甘耳！……”。
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