1931年春,吴履逊毕业,在日本北海道的一个日本兵团实习6个月后回到了中国。经同乡兼校友、同为中国青年党党员的翁照垣介绍,参加了蔡廷锴为军长、翁照垣为旅长的国民革命军第十九路军第19军78师156旅,被任命为该旅6团3营营长。1932年1月28日下午,吴履逊离开了在老靶子路(今武进路)上海疗养院分院待产的夫人永田季子,毅然奔赴前线阵地。当晚23时30分,率部防守虬江路一侧的吴履逊,在旅长翁照垣的授命下与日军交火,揭开历史上著名的“一·二八”淞沪抗战序幕。后一军报刊载他参战期间的与妻书,吴履逊也因此而成为十九路军的“情将”。在之后一个多月的战斗中,吴履逊率领3营保卫上海北火车站、吴淞地区,与日军进行殊死战斗。在此期间,吴履逊还在旅部主办的前线快报《血潮》上发表了《抗日歌》《疾呼歌》《是谁便宜?》等鼓舞士气的诗歌和时事短评。3月1日,吴履逊受命撤退。3月12日,吴履逊与美国驻南京总领事馆副领事芮诺思(L. C. Reynolds)会谈时称,在战争爆发时,3营是中国在上海唯一的大型军事力量,抵达上海时共有350人,撤防上海时只剩50人。3月中旬,英法美德意各派出一名代表组成的国联调查团抵达中国,吴履逊因通晓中日英德四国语言而被军方委派为调查团翻译。黎民伟当年在前线拍摄的纪录片、现藏于上海中国电影资料馆的《十九路军抗日战史》,以及美国福克斯电影公司拍摄的纪录片、现藏于美国南卡罗来纳州大学图书馆的《中日冲突》(Sino Japanese conflict)中均有吴履逊正面镜头。1933年初《申报·本埠增刊》所载“新光大戏院”“中央大戏院”等沪上影院的广告,其中有“内有蔡廷锴、沈光汉、区寿年、翁照垣、张君嵩、吴履逊、赵一肩、丘国珍等,不可不看”的淞沪抗战新闻片广告语,也提及了吴履逊。