抗日戰爭爆發后，上海、廣州、香港等沿海重要口岸相繼淪陷，過去不受國民黨政府重視的滇越鐵路，便成為當時唯一與世界反法西斯同盟國相聯系的鐵路國際運輸線。國民政府根據《中法會訂云南鐵路章程》"萬一中國遇有戰事，該鐵路悉聽中國調度"的規定，任命原北寧鐵路局局長沈昌為少將司令，負責滇越鐵路的軍運工作。
當時，大量的公私物資涌入越南海防港，碼頭倉庫，貨物充塞，馬路上機器材料堆積如山，有的船只不得卸貨，只能停滯江心。滇越鐵路作為運輸物資的重要通道，投機商賈和不法官吏趁機賄賂、購買運貨車皮，大發國難財。迫于形勢緊急，蔣介石任命宋子良親赴河內主持工作，規定所有待運物資實行統一支配，軍火物資、兵工機器、五金材料優先起運。蘇聯等國支援我國的戰車、戰防炮、彈藥等軍火物資都是通過滇越鐵路直運昆明。1938年，國民政府決定在昆明建立4個兵工廠，1000余部重要機器，也是通過滇越鐵路運至昆明，使新建的兵工廠得以及時開工，制造出一批批殺敵的槍炮和彈藥。
滇越鐵路作為國際援華物資的重要交通線，自然被日軍視為眼中釘，遂憑借空中優勢，對滇越鐵路實施狂轟濫炸，企圖切斷這一國際通道。僅從1939年12月至1940年8月，在不到一年的時間里，日軍就先后派出飛機625架次，炸毀沿線站房、水塔、宿舍、鋼軌無數，鐵路工人和沿線居民死傷慘重，僅日軍對芷村機務部段的轟炸就造成了200多人的傷亡。但是，面對日軍的猖狂轟炸，廣大鐵路工人置生死于不顧，始終堅守在各自的崗位上，積極搶運抗日物資。1940年1月5日，小龍潭大橋被日機炸毀，鐵路工人立即投入搶修工作，附近農民聞訊后，也自帶干糧、自帶工具，加入搶修隊伍。經過10多個日日夜夜的奮戰，全面修復了小龍潭大橋，源源不斷的抗日物資通過大橋，運往抗日前線。
自抗日戰爭打響后，滇越鐵路一改夜間不行車的舊習，日夜加開列車搶運抗日物資，雖經常受到日機的襲擊，但貨運量比通車時增長了3倍。隨著內地機關、企業、學校的大批內遷，客運量也劇增，僅1939年的客運量就達到454萬人，為通車時的15倍。
為保護住這一國際通道，時任云南省政府主席的龍云命令高射炮兵大隊開赴防地，擔負滇越鐵路重要橋梁和隧道的防空任務。臨行前，龍云專門交待防空部隊：決不能使"人字橋"遭到破壞，否則要想在短期內修復是不可能的。為此，防守該橋部隊的高射機槍也由七厘米九全部更換為性能更好的十三厘米二高射機槍，全部配置在人字橋兩端的高山頂上。由于人字橋位于兩山絕壁之間，加之防空部隊配備的猛烈炮火，使日機不敢過低俯沖，盡管先后投彈700余枚，將人字橋四周炸得草木盡飛，但硝煙散盡，人字橋仍奇跡般地傲立于絕壁之上。
在無數護橋之戰中要數白寨大橋之戰最為慘烈。白寨大橋是滇越鐵路跨度最長的鐵橋，由8個鋼塔橋墩連成的大橋，就象一座攔河大壩雄踞于山谷之中。1940年3月1日，36架日機組成的龐大編隊，呼嘯著向白寨大橋撲來。而此時此刻，由河口開往昆明的旅客列車正在通過大橋，火車司機開足馬力，想沖過大橋進入隧道，防空官兵也向敵機猛烈開火。日機立即散開隊形，分別對火車和防空陣地進行轟炸。就在火車即將沖入隧道時，敵機投下的炸彈擊中機車，在一片火光之中，血肉橫飛，慘不忍睹，當場死傷200多人，其中法國、越南旅客30多人。我防空官兵有3人被炸死、3人重傷，排長王立成移開犧牲士兵遺體，繼續向敵機射擊，也被炸傷。此次轟炸，我軍民付出慘重代價，幸虧白寨大橋僅受輕傷，經及時搶修，當夜即恢復通車。為加強白寨大橋的防空力量，國民黨中央專門派來了一個高射機關炮連。此后，我守橋官兵先后7次打退日機共220架次的突襲轟炸，確保了白寨大橋的安全暢通。
1940年9月23日，日軍占領越南海防港，并向河內、諒山等地推進，企圖沿滇越鐵路進犯昆明，以動搖和摧毀我抗戰大后方。因此，蔣介石命令炸毀河口中越鐵路大橋，拆除碧色寨至河口間170多公里的鐵路。碧色寨至昆明的鐵路仍保持暢通，以便于軍需品和兵員的運輸。與此同時，盧漢將軍的第一集團軍沿滇越鐵路地形險要之處，構筑了4道防線，嚴陣以待。日軍看到滇南到處是崇山峻嶺，而道路又被徹底破壞，不得不知難而退，將主力轉到緬甸方向，改向我滇西進攻。
日本投降后，1946年2月28日，中法兩國在重慶會談，國民政府外交部長王世杰與法國駐華大使梅里靄簽訂《中法協定》，其中明確指出滇越鐵路滇段路權正式回歸中國。(馬永鴻、屈明光)
