“七七事变”后，一直闲居在家的张培梅再也坐不住了。他直奔省城阎锡山的官邸，向阎请求，坚决抗战，为国效力。阎锡山请他出任第二战区执法总监。
当时，晋北形势紧张，阎锡山为了便于指挥作战，将第二战区长官行营部由省城太原移往雁门关的太和岭口。张培梅与续范亭也一同前往。有一天，阎锡山清早起来提着裤子在院子里转来转去。张培梅对阎锡山说：“你不要犹豫，可以到前方走走，就是哭哭啼啼叫士兵们看，他们也好打仗。”续范亭也说：“长官可以上去，去了好一点。”但阎锡山只“哼”了一声。张又说：“你走吧，还犹豫什么，飞机用不着怕。”接着就准备动身。
这时，从前线传回八路军在平型关抗击日寇，郭宗汾违背命令不肯增援的消息，还有二战区副司令长官杨爱源又请求阎锡山来前线督战的报告。阎锡山就带张培梅和续范亭前往平型关杨爱源指挥部。
当时，失守盘山的李服膺军长已被扣押，满屋子的高级军官不发一言。张培梅盘腿坐在炕头，看着阎锡山一肚子的火气，一下子被郭宗汾“保存实力”的花言巧语说得烟消云散，使此会议不了了之。
第二日，茹越口失守，繁峙告急，阎锡山只好命令王靖国退守崞县，行营部人员绕道五台回太原。张培梅也急回老家，安顿家人，准备更艰难的抗日行动。
就在雁门督战之时，八路军代表周恩来同志曾两次前往二战区司令长官部会晤阎锡山。那时候，张培梅就结识了周恩来，他很欣赏周恩来的干才，行营撤回太原以后，张与周的办公地方不远，所以能够常来常往。有时日寇飞机在太原上空扔炸弹，周恩来神情镇定，总是先把别的同志推进防空洞后，自己才进洞，张佩服周的勇敢。而周恩来对张培梅的为人和性格也很了解，所以当时张对自己的儿子说：“以后有什么事情，就找恩来叔去说。”新中国成立以后，张的家属曾经遇到不少麻烦，就写信给周恩来。时任中华人民共和国总理的周恩来，在百忙之中给山西省政府写信，为张的儿女们解决了不少生活上的具体困难。
1937年8月，阎锡山在忻州组织会战，与日军在忻口展开激战，战斗打得异常惨烈，张培梅亲往前线，组织执法队在战壕督战：凡后退逃命者，必毙；凡违犯军纪者，必杀。并参与军机，出谋划策，战功颇多。