1931年，国民党内各派势力为了争权夺势而矛盾重重、尖锐对立，日本帝国主义乘机发动了蓄谋已久的“九一八”事变，由于蒋介石实行“不抵抗政策”，日军很快就侵占了沈阳和东北三省。这时，李济深公开指责国民党当局误国，主张邀集全国各方面代表人物共商国是。1932年1月1日，李济深出任孙科政府训练总监，希望通过对军队的训练和对国民的军事教育，加强政府抵御外侮的能力，实现自己抗日救国的愿望。28日，蒋光鼐、蔡廷锴将军等不顾蒋介石不抵抗政策，率领十九路军在上海奋起抗击日本侵略军，打响了淞沪抗战第一枪，激起了全国人民的热烈声援。李济深多次通电盛赞这一英勇爱国的行为，而蒋介石则多方阻挠，并派人与日本方面签订了屈辱的《淞沪停战协议》，并积极进行“剿共”。李济深闻讯极为愤怒，毅然辞职，远赴香港。1933年，李济深和十九路军联合共产党，发动了著名的福建事变，成立了中华共和国人民革命政府，李济深被推举为主席。福建人民革命政府成立后，与中华苏维埃临时中央政府和工农红军签订了《抗日反蒋的初步协定》，制定了联共反蒋抗日的路线。虽然这次斗争不到三个月就以失败而告终，但是李济深等人成立人民革命政府之举，沉重地打击了蒋介石国民党的独裁统治，促进了全国各阶层爱国人民抗日反蒋运动的高涨，具有重要的历史意义。此后，李济深等人流亡到香港，组织“中华民族革命同盟”，李济深被选为该同盟主席兼组织部长，继续坚持联共反蒋抗日的活动。
1936年6月，陈济棠联合桂系李宗仁、白崇禧，打出抗日的旗号，公开发动反蒋运动。李济深十分重视两广事变，积极主张广西当局反蒋抗日。同时他曾多次向中共代表表示，他很赞成中共提出的“停止内战，一致抗日”主张，自己乐意同中共合作，进行反蒋抗日活动。李济深为加强与中共的联络，写了一封信交给中共代表云广英，要他带给毛泽东。1936年9月，毛泽东分别致函李济深、李宗仁、白崇禧、蒋光鼐、蔡廷锴，赞成双方签订抗日救国协定。1936年12月，“西安事变”发生。李济深长期受蒋介石的排挤、打击和迫害，对蒋介石个人的怨恨很深。但在当时的形势下，他顾全国家民族的大局，坚决主张和平解决西安事变。他两次通电呼吁“一致对外，方足挽救危亡”，还积极活动，力促和平解决事变，为建立抗日民族统一战线起了促进作用。为了与中共中央建立直接联系，李济深又以他和蔡廷锴两人的名义写了一封亲笔信，托人转交毛泽东和朱德，表达了迅速召开救国会议、团结抗战等主张。毛泽东表示赞同李、蔡两先生的意见。抗日战争爆发后，李济深被委任为军事委员会常委，没有实际的军事指挥权，不能亲自上战场指挥作战，而他提出的“坚持抗战和实行民主”等主张，又得不到蒋介石的支持，这使李济深深感苦闷。他为了摆脱蒋介石的控制，从武汉疗养地移居湖南衡阳，邀约了一些国民党民主人士，准备建立一个抗日的联合政府，后由于国内形势的变化而放弃了这一计划。
1939年3月，为了粉碎日本帝国主义“以华制华”、“以战养战”的阴谋，并解决战区的两党两军的矛盾，蒋介石组织成立了国民党军事委员会战地党政委员会。主任委员由蒋介石兼任，李济深任副主任委员，负责主持工作。这一组织受到多方面的牵制，难以独立发挥作用。但是，李济深却努力使其成为推动各派力量团结抗日和坚持民主斗争的阵地。李济深邀请了许多共产党员和爱国民主人士担任战地党政委员会分会的委员。李济深在协调战地国共两党两军的关系、调处“磨擦”事件方面，也做了大量的工作。他一方面尽量防止“磨擦”，另一方面，又尽力促成双方通过谈判解决冲突。1940年5月7日，李济深和王葆真等人多方活动，促成了朱德将军与卫立煌将军的会晤，使双方通过商谈达成了停火协议，缓和了晋东南两党两军的紧张关系。这对中共粉碎国民党顽固派发动的第一次反共浪潮，破坏国民党打击八路军的反共计划，都起了积极作用。由于李济深的这些做法违背了蒋介石消灭异己、削弱中共的一贯方针，因而在1940年春夏，蒋介石便调李济深为军事委员会桂林办公厅主任，程潜取代李济深出任战地党政委员会副主任。李济深调走后，党政委员会成为“专门反共造谣的工具”（董必武语）。
李济深到桂林后，不顾党派之争，坚决支持八路军抗战，对八路军驻桂林办事处的工作，从多方面给予支持和方便。他还积极支持文化界进步人士开展抗日民主活动，竭力保护中共党员和爱国民主人士免遭迫害。1941年“皖南事变”后，国民党在全国掀起了第二次反共浪潮。桂林的国民党特务组织和警察机关策划逮捕当时在桂林的大批中共党员和民主人士。八路军驻桂林办事处被大批特务包围，国民党当局强令撤销办事处，办事处主任李克农几乎无法脱身。周恩来密电李济深，请其给予照顾和方便。李济深立即派人协助八路军办事处进行搬迁工作，并把李克农从国民党特务包围下营救出来，使其安全到达香港。李济深对在桂林的大批文化界进步人士的安全也非常关心，常常给他们传递信息，冒险帮他们转移，还给他们提供各种资助。李济深先后帮助张友渔、夏衍、范长江等一大批中共党员和民主人士安全地离开了桂林。1943年国民党发动第三次反共浪潮，李济深在桂林又放走了一些中共党员。李济深还根据周恩来的要求，营救过越南共产党领导人胡志明。1942年8月，胡志明化名阮爱国从越南经中越边境秘密潜入中国广西境内，准备去重庆会见周恩来，被国民党军队作为政治嫌疑犯逮捕，解送到柳州第四战区司令长官部政治部关押。1943年周恩来获悉这一情况后，即请李济深设法营救。李济深便按照周恩来的要求，写了一封信给第四战区司令长官张发奎。胡志明于1943年9月获得释放，恢复了自由。1943年12月底，蒋介石决定撤销桂林军委办公厅，另委李济深担任有职无权的军事参议院院长，要李济深去重庆就职。李济深拒绝了去重庆的要求，继续留在桂林，支持抗日民主运动。
1944年，李济深回到广西家乡，领导人民进行抗战。李济深的行动得到共产党的支持，却成了蒋介石的一块心病，蒋介石想方设法要把李济深从广西接出来，李济深两次拒绝了蒋介石要他去重庆的要求。1945年5月，李济深为了与中共中央取得直接联系，商讨敌后抗战的配合问题及下一步行动，他又写了一封信，派人通过东江纵队与中共中央进行联系。一个多月后，周恩来给“东纵”发来复电说：“中共中央决定在华南成立民主联军，由李济深当司令，以东江纵队和珠江纵队作为民主联军的主力部队，任务是反攻广州。”但后来由于形势的变化，这一计划未能实现。李济深在异常艰苦的条件下，依靠人民，坚持进行敌后抗战，充分表现出他极大的爱国热忱，及其为国家民族和民主事业的献身精神。
1946年4月，李济深、何香凝、柳亚子等人为了团结国民党内民主派分子与反民主势力进行斗争，促进国民党实行民主改革，争取抗战胜利后国家能走上民主化的道路，在广州秘密成立了中国民主促进会(简称“民促”)。1946年5月15日，《中国民主促进会成立宣言》在香港《华商报》上发表。5月21日，《华商报》又发表了《政治主张》。“民促”的成立，大大加强了国民党内主张民主和平的民主力量的团结和反对内战、独裁的斗争。后来，为了和马叙伦领导的中国民主促进会相区别，李济深领导的中国民主促进会改名为中国国民党民主促进会。