张作霖在皇姑屯被日军预谋炸死后，北方各大派系展开了激烈的争斗，经过几番权力再分配的争执，各派临时达成协议：阎锡山据有晋、冀、察、绥四省及平津两市，赵家骧随之也调入驻北平之晋军第二十七师楚溪春部，任少校营长。1930年，赵家骧调任该师中校参谋。

中原大战爆发后不久，由于张学良突然出兵拥蒋，招致阎锡山、冯玉祥集团大败。蒋介石责成商震负责整编山西军队，不久，晋军改编为四个军，商震、徐永昌、杨爱源、傅作义分任第三十二、三十三、三十四、三十五军军长。晋军改编后，赵家骧所在的第二十七师隶属商震部第三十二军。自此，赵家骧开始参加国民党正规军。

日本侵略军自发动“九·一八事变”后，不断向关内进攻。长城抗战爆发时，赵家骧已被调任第一四二师中校营长，他率一营兵力不顾枪枝陈旧、装备简陋，用近战、夜袭战术，以大刀与日军展开血战。在仰望口与日军铃木旅团争夺正面高地，重创日军，挫伤了敌军进犯关内的锐气。赵家骧也以战功调任第四十七师某团副团长。

1934年，赵家骧所部奉命溯长江入四川，再由四川转入贵州境内，堵截长征途中的中国工农红军。次年1月，因“围堵”有功升任第一八四师上校参谋长，旋又考入国民党陆军大学第十四期，学习战术理论。毕业后于1938年初，调升第十一军团第二军（军长李延年）少将参谋长。

1938年6月12日，日军占领安徽省会安庆以及潜山后，打开了沿江北岸西进的通道，在日军中向有精锐之称的第六师团在海空军的直接支援下，从大别山南及长江北岸间的长条地带大举西犯，直接威胁武汉。7月14日，赵家骧命所部第九师郑作民部和第五十七师分别守备田家镇要塞西北面和东南面，此次战役打得相当艰苦，曾沉重打击了日军的嚣张气焰。但在日军的大举进攻下，赵家骧率部与敌军苦战十九日之久，后渐感不支，加之南岸半壁山失守，战斗到9月28日，赵家骧奉命撤出阵地。这次战役，是赵家骧初次指挥大兵团作战，他以孤军独当优势敌兵，身先士卒，奋勇反击，受到李延年及战区李宗仁司令长官的表彰。1938年10月，赵家骧因指挥有方升任第十一军团部参谋长。

1938年10月29日，武汉失陷后，赵家骧指挥第十一军团第二、第七十九两军，在鄂南阳新、咸宁地区继续与日军周旋，继又指挥第二军、第三十七军及第一〇四师、第一五六师，掩护国民党大军南撤部队，从崇阳、通城以至湖南北部汨罗江一线逐次阻遏日军的疯狂南侵，为国民党从容布置长沙会战作出了贡献。在此期间，赵家骧还协助李延年悉心“剿抚”鄂西、湘西中国共产党领导的游击队。

1940年1月初赵家骧和李延年到达昆仑关，即以第九师接防正面，协助第五军，向昆仑关之敌发起攻击，中国军队全军战士同仇敌忾，不顾生死，发起一阵阵猛攻，终于将昆仑关收复。但之后昆仑关再次落入敌手。1940年春，赵家骧进入国民党中央训练团党政班第十期受训，后奉命率第二军调驻常德；改隶第二十集团军司令商震指挥，很快参加宜昌会战。

1942年9月，第六战区为策应湘北抗日战场，加之日军占领宜昌后，不断对重庆进行袭扰，决定对宜昌日军展开进攻。10月6日，赵家骧率第九师、新编第三十三师、第七十六师猛攻宜昌，克复了宜昌近郊的胡家大坡、大娘子冈、慈云寺等重要据点，并以炽烈的炮火轰击宜昌城。后赵家骧奉李延年军团长电话指示撤退。

1943年春，赵家骧奉命调任中央军事委员会军令部第一厅第三处处长，策划抗日战略。是年2月，国民党赴缅远征军司令部成立，赵家骧应陈诚之邀赴滇，任中美合办的国民党驻滇干训团步兵大队少将大队长。·1944年1月，干训团改组为中美参谋学校，赵家骧与美国将军魏德迈共主其事，训练参谋人员，沟通战略战术思想。在此期间，赵家骧为培训参谋人员出了大力，曾受到盟军的表扬。

1943年9月，赵家骧任第五集团军少将参谋长，策应反共，后未果而终。

1945年6月，赵家骧升任昆明防守司令杜聿明所部中将参谋长。是年8月9日，蒋介石一面忙于接受日军投降事宜，一面电召杜聿明至重庆面授机宜，策划“倒龙事变”。这次“倒龙事变”，赵家骧协助杜聿明干脆利索地解决了“云南王”，为蒋介石去除了一个肘腋大患。蒋介石曾称赞赵果断刚毅，是个将材。

1945年10月18日，国民党东北保安司令长官部成立。赵家骧因在昆明协助杜聿明解决龙云有功，被调升为长官部参谋长，跟随杜聿明赴东北“接收”日军占领地。国民党军长驱直入，先后攻占了兴城、锦西和葫芦岛。到1946年1月15日，赵家骧率部攻占了沈阳，次又占领了干泉等地。继之又在占领区奉命停休待命。赵家骧还兼任沈阳警备司令。在沈阳期间，赵家骧在邻近各县强征壮丁补充缺额，收编伪军及土劣武装，积极备战。

1946年4月中旬，国民党由美舰运送，从上海、广州、越南等地抽调五个军到达东北，向解放区猖狂进攻。此后，国民党军继续北犯，双方发生激烈战斗，共进行了辽南会战、四平街会战、开源会战、临江会战、吉长会战等大小数十役，赵家骧均参与指挥。

1947年秋，赵家骧奉调第六兵团副司令官兼第三训练处处长，辖四个师疯狂进攻解放军，迭遭惨败，忧郁成疾。

1948年1月，在辽西公主屯，国民党军精锐部队之一的新编第五军被全歼，军长陈林达被俘。蒋介石慌忙飞到沈阳召集将领，打气安抚，并明令设置东北“剿匪”总司令部，赵家骧应蒋介石电召由辽西赶到沈阳就任司令部参谋长兼政务委员。

1948年10月27日，廖耀湘兵团被解放军东北野战军围歼后，赵逃往北平。同年11月6日，解放军发起淮海战役。赵家骧时任徐州“剿匪”前进指挥所副主任，负责后方补给。1949年1月10日，杜聿明被俘，赵慌忙逃到南京。

1949年4月，赵家骧携眷属从南京飞到台北。8月下旬，被蒋介石委以“国防部”部员，并令其到重庆、成都收拢部，继续与解放军作战。不久，解放军挺进西南，国民党军残部纷纷南窜，赵去了台湾。

1951年，赵出任台军陆军总司令部副总司令并代理参谋长。1952年，实任参谋长之职。1954年，调任台湾当局防务部门战略计划研究委员会委员。1955年4月1日，改任台军第一军团副司令长官兼任参谋长。1957年6月，调任台军金门防卫司令部司令长官。

1958年8月23日，俞大维到金门视察。这天晚上，美国驻金门顾问团欲在太武山水上餐厅举行宴会，赵家骧与吉星文等4人先去餐厅查看。晚6时30分，福建前线人民解放军炮击金门，赵家骧在逃往防空洞时，被炮弹击中身亡，时年四十八岁。

1958年9月，赵家骧被蒋介石追晋为陆军二级上将。

19世纪末，苏俄为侵略中国东北，在中国的土地上大肆修建铁路。1929年7月10日，张学良为收复我国中东铁路主权，与苏军发生军事冲突，史称“中东路事件”。发生武装冲突后，国民政府对苏宣战。东北边防军司令张学良于8月15日下达动员令，任命陆军第十五旅旅长梁忠甲担任中东铁路西线护路司令，抵御苏军进攻。大战在即，梁忠甲相中了正在东北讲武堂学习的赵家骧，急电张学良，调赵家骧为前线上尉作战参谋。

这一年，赵家骧年仅19岁。他一到军营，就呈上精确的作战地图、军用沙盘、作战计划，还亲率骑兵敢死队，奇袭苏军，炸毁敌方的军火库。

11月17日，苏军7万多人猛攻扎兰诺尔，并派出相当兵力包围满洲里，切断中国军队后援。扎兰诺尔车站失陷之际，赵家骧随军在扎兰诺尔血战。苏军军事力量强大，武器精良，相较之下，中方伤亡惨烈，多名将领阵亡。12月，中苏双方签定《伯利会议议定书》，中国版图痛失“鸡冠”。

虽然中方在战争中失利，赵家骧的骁勇善战却赢得了梁忠甲极高的评价：“赵家骧虽参战仅三月，战功甚伟，胆识过人，实为军事奇才。”赵家骧自此成名。

1930年，赵家骧调入晋军32军担任营长，成为当时最年轻的营长之一。1933年，在长城抗战中，他率部与日军用大刀近身肉搏，夺回冷口阵地，取得了九一八事变以来，中国军队唯一也是第一次夺回阵地的胜利战。

1935年秋，赵家骧以优异的成绩进入陆军大学第十四期学习。毕业后，正值抗战前方急需人才，他随即被任命为184师少将参谋长，后又调至第二军任少将参谋长，旋即委任十一军团参谋长。

广州、武汉失守后，滇越铁路成为中国外援的主要通道。日本侵略军为切断这条补给线，采取了疯狂的军事行动，并于1939年12月4日攻占了军事要地昆仑关。眼看形势危急，蒋介石下令反攻，战略目标是“攻略昆仑关而后收复南宁”。收到命令后，赵家骧奉命率第2军第9师昼夜兼程自贵州都匀出发，开赴昆仑关前线。12月31日，杜聿明第5军攻占昆仑关主阵地，赵家骧与郑作民率9师立刻接替第5军正面防御阵地，随即向日军展开攻击，全面收复昆仑关各处阵地。

1月27日，日军开始反攻，并于4日后发动总攻。中国军队仓促应战，第2军9师师长郑作民在撤往上林途时被炮弹击中，壮烈牺牲。赵家骧和第二军军长被围困在白鹤山天堂顶，两人相约如果不成功，就成仁。后来，两人侥幸突围。

日军战史称：“昆仑关战役是中国事变以来日本陆军最为暗淡的年代。其战斗意志之旺盛，行动之积极顽强，在历来的攻势中少见。”此战虽败犹荣。

2月21日，蒋介石飞到柳州下榻羊角山召开会议，宣布一大批高级将领受到处分，而对赵家骧则大加慰抚。蒋介石认为军事参谋人员不只是运筹帷幄，而要亲临前敌，实地指挥作战才行。赵家骧恰恰两者兼备，蒋介石对赵家骧的看重也由此开始。

1943年初，赵家骧奉调军令部，任第三处处长，负责“主持策划全国抗日战略及训练军队”工作。3月，赴缅远征军司令部组成，赵家骧名列其中，在陈诚邀请下，他又兼任中美合办的驻滇干训团少将大队长。

1944年1月，干训团改组为“中美高级参谋研究训练班”，由赵家骧与魏德曼共同主持。不久后，赵家骧又兼任中印缅战区副参谋长（参谋长为魏德曼）。赵家骧结合国情大幅度修改了美军送来的军事训练教材，制订出符合中国国情的战略、战役、指挥、后勤、参谋作业等军事教材，培训出400余名师以上高级指挥官。

这个训练班的出现，迅速改变了中国军队战术落后的状况，使得中缅战区敌我伤亡比例从1：7降至2：3。赵家骧也因此名声大振，连续受到美国授予的各种勋章。时任中央社记者的陈香梅更是赞誉道：“满腹经纶，儒雅风度的少壮派赵家骧将军是国军后起之秀中的佼佼者。”

赵家骧曾先后获取四等宝鼎、四等云麾、胜利、忠勤、国华、陆甲二级、陆甲一级等勋章十枚，美国也曾受予他银星、功绩、自由等勋章。

赵家骧早在河南汲县老家时，因父母之命、媒妁之言，与一女结合，生女赵平，后双方感情不合，中道离异。1930年，赵家骧任晋军第二十七师楚溪春部中校参谋时，楚见他为人干练果敢，作战勇敢，把女儿楚瑞延许配给他。楚瑞延，北京大学毕业，端庄贤淑，善理家务，婚后二人相敬如宾，感情甚笃，相约白头偕老，他们生了三个女儿，长练石，次漱石，三燕石。

赵家骧一生著有《历史上之中国边防》、《步兵射击与运动之联系净》、《近代步兵》、《中美参谋业务及其教育之异同》、《抗战述评》、《参观美国陆军观感》以及《自传》等，赵家骧死后，胡琏主持“赵上将遗著编印委员会”，搜集赵家骧全部诗文、笔记、日记、函牍，汇辑为《赵家骧将军诗文集》共三卷，于其死后两周年纪念日出版问世。由于赵家骧不仅能在战场上带兵，而且还写出了许多军事理论著作，深得蒋介石赏识。早在1951年2月蒋特手令赵家骧入台湾“革命实践研究院”受训；4月入“园山军官训练团高级班”一期受训，并任副班长，受蒋介石之命列为台湾十大将领，撰写回忆录。1954年5月，赵家骧再受蒋介石手谕入台湾“国防大学”联战系第三期受训，并以优异成绩结业，颇受蒋介石赞誉。