1937年，八一三淞滬會戰中，郭汝瑰率旅與日軍反覆爭奪七天七夜而陣地不失、名揚軍界，受到陳誠的器重。武漢會戰中，郭汝瑰保衛武漢時，對原先的背水作戰計劃提出異議，其重新部署的武漢戰役作戰計劃使武漢戰役各軍均未受重大損失，此舉更是獲得陳誠的賞識。抗戰勝利後，郭汝瑰已置身國軍上層，已進入到國民黨高層的郭汝瑰。

1945年一個偶然的機會，官至國民黨軍務署副署長的郭汝瑰，意外地和大革命時代的老朋友，地下黨員任廉儒重逢，郭汝瑰的人生軌跡由此改變。此後的日子裏每遇到一些重要的戰役，郭汝瑰都會將制定好的作戰方案報送蔣介石的同時，複製一份交給中共聯絡員任廉儒。1946年9月，郭汝瑰進入國防部第五廳任副廳長，負責編制和訓練，兩個月後升任廳長，國民黨中樞對郭汝瑰的賞識與日俱增，次年3月被授予作戰廳廳長一職。任職作戰廳廳長後，郭汝瑰周旋於陳誠、何應欽、顧祝同、白崇禧，四個軍事要人之間。

淮海戰役前夕，郭汝瑰拿出了一套作戰計劃，當時杜聿明也制定了一套，向山東共軍進攻的計劃。由於郭汝瑰的計劃得到蔣介石、顧祝同的認可，杜聿明的計劃並沒有被採納。但是由於共產黨的部隊突然集結，淮海戰役爆發，郭汝瑰的計劃未能實行。1949年4月20日晚，解放軍突破長江天險，被視爲固若金湯的陸海空長江立體防禦體系，一夜之間土崩瓦解。郭汝瑰爲中共提供絕密的軍事情報，其實已有明眼人察覺，這個人就是杜聿明。

1948年春，顧祝同任參謀總長時，杜聿明就曾對顧祝同說過，郭汝瑰與解放軍有聯繫，反對郭汝瑰任第三廳廳長。顧祝同當時批評杜聿明，讓他不要疑神疑鬼。在淮海戰役前夕，杜聿明就已經不再讓郭汝瑰知道自己的作戰方案，如果郭汝瑰知道了，他就不再按原方案執行。杜聿明也曾直接向蔣介石明述，懷疑郭汝瑰是共產黨，只是由於蔣介石太過信任郭汝瑰，根本沒有把杜聿明的話當回事，再加上杜聿明又拿不出任何證據，他也只能是敢怒不敢言。

1959年杜聿明被大赦，做了全國政協委員病逝前，郭汝瑰去探望，他還抓住郭汝瑰的手說，我最後再問你一次，你當時是不是共產黨？郭汝瑰斷斷續續地說，我們是屬於政見不同而已。