请缨杀敌，却遭到蒋介石的拒绝。9月23日，吉鸿昌怀着“满腔热血无处可洒”的悲愤心情，含泪登船，离开上海。
吉鸿昌先后到日本、欧美十多个国家进行考察，写成了《环球考察记》。1932年1月28日，日本帝国主义进攻上海。吉鸿昌闻讯后，即乘船回国。于2月28日到达上海。在上海找到中共组织，按照党的指示，他北上天津，开展抗日救亡活动。同年8月，他到湖北黄陂、宋埠一带，打算收集旧部，倒戈投奔红军。但不料原旧部大部分已被蒋介石或收买，或改编。他冒着生命危险，带领三十师一个团奔向苏区。但在中途遭到敌人的围追堵截，起义失败，只有吉鸿昌和少数人突围，进入苏区。在黄安县（今红安县）长冲，他们受到沈泽民、徐海东等人的热情接待。不久，吉鸿昌经上海秘密回到天津，组织抗日军队。他毁家纾难，拿出6万元购买武器弹药，同冯玉祥、方振武在张家口组织察哈尔民众抗日同盟军，并通电全国，主张动员全国一切力量武装抗日。
1933年5月26日，冯玉祥就任同盟军总司令，吉鸿昌任第二军军长兼察哈尔省警备司令和公安局长，以及北路前敌总指挥。6月22日，吉鸿昌率部出张家口大境门，到达张北县，于当日午后3时克复康保县城，缴获日伪军大批马匹及军用品。是时，日伪军主力盘踞沽源、宝昌，严密布防。吉鸿昌奉命率部冒连绵阴雨，忍饥挨饿，长途跋涉，向宝昌推进，于7月1日同伪军展开激战。吉鸿昌命令部队在合围宝昌之敌的同时，对伪军展开政治攻势，晓以大义，许多伪军士兵携械来归。薄暮时分，3000名伪军弃城北退多伦，同盟军一举收复宝昌、沽源，俘获甚众。
吉鸿昌在给总部的电报中表示：“誓以一腔热血，努力迈进。与其怕死偷生而生也痛，孰若赴义以就死其死也荣。”7月5日，他在沽源附近的大柳树村召集同盟军前线主要将领会议，决定分三路进击多伦日军。7日，各路同盟军直捣日伪在热察的军事重镇——多伦。面对敌人的飞机、大炮，他吟诗抒怀：“有贼无我，有我无贼；非贼杀我，即我杀贼。半壁河山，业经改色；是好男儿，舍身报国。”然而多伦城池坚固，敌人火力猛烈，同盟军进攻受阻。吉鸿昌赤裸膀臂，手提大刀、盒子枪，亲率敢死队匍匐前进，爬城3次。10日夜，吉鸿昌暗遣副官及精兵40余人，扮作客商，分批潜入城内，其中大部分扮成回民，分住城内五所清真寺中。12日子夜，同盟军乘天色黑暗，敌机敛迹之际，全线猛攻。吉鸿昌袒臂大呼，率部勇猛冲锋，喊杀声惊天动地。潜入城内的士兵鸣枪响应，内外夹攻，与敌军巷战肉搏3小时，终于收复了沦陷72天的多伦城。这是“九·一八”事变后中国军队首次攻克日军据点，因而中外震惊，举国欢腾。至此，同盟军收复察东4县，自己阵亡312人，击毙日伪军千余人。全国各爱国抗日团体，以及朱正桥、蔡廷锴、李烈钧、程潜、蒋光鼐、李济深等力主抗日的知名人士，纷纷致电函贺多伦的收复，并踊跃捐助慰劳。
然而，在南京政府的高压逼迫下，抗日同盟军处境已相当困难，冯玉祥被迫于8月4日下野。
9月底，抗日同盟军在日军和国民党军的夹击下遭到失败。吉鸿昌在押往北平途中逃脱，辗转回到天津，继续从事抗日反蒋活动。1934年初，吉鸿昌由宣侠父陪同，秘密赴上海，王世英代表中共临时中央和吉鸿昌谈话，秘密举行了吉鸿昌加入中国共产党的仪式。同年5月，吉鸿昌出面在天津组织成立“中国人民反法西斯大同盟”，并建立有冯玉祥、李济深、方振武、任应歧等反蒋抗日力量代表在内的大同盟中央委员会，吉鸿昌任中央委员及“大同盟”内中共党团领导成员。他在天津法租界霞飞路40号的住宅，成为党组织的地下联络站。不久，这里的活动被特务发现，他又在国民饭店开了房间，做为联络点。
1934年11月9日晚，吉鸿昌在国民饭店以打牌为掩护，同广西李宗仁的代表秘密会谈时，遭到国民党特务的枪击，臂部受伤，被法租界工部局逮捕。11月14日，他被引渡到国民党天津市公安局，关进五十一军陆军监狱。中共组织多方营救吉鸿昌，他的旧部一些官兵准备在吉鸿昌押往北平途中劫持囚车。吉鸿昌得知后，要求组织停止营救行动，以避免无谓的牺牲。11月22日，他被秘密地押解到北平。
国民党北平军分会组织“军法会审”时，吉鸿昌大义凛然，把法庭变成了宣传抗日的讲堂。何应钦问：“你为什么搞抗日活动？”吉鸿昌义正辞严地答道：“抗日是四万万五千万中国人民的事情，有什么秘密？”当问到“为何加入共党，危害国民时”，他坦然地说：“我是中国共产党党员，我为我们党的主义和政纲而奋斗。我摆脱了旧军阀的生活而转到为劳动群众、为全人类的正义进步而斗争的阵营里，这正是我的光荣。你们说我们党是‘危害民国’，试问你们又干了些什么？你们当政七年来，掀起了无数次的内战，酿成了空前水旱浩劫，断送了东北，断送了热河，又快要断送华北各地。你们的所作所为，哪一样不曾危害民国？哪一样不是危害民国？我