Năm 1937, Chiến tranh Trung-Nhật nổ ra, Liêu được thăng chức Tham mưu trưởng Lữ đoàn 2 dự bị với hàm trung tá. Ông tham chiến trong Trận Thượng Hải và Trận Nam Kinh. Trong cuộc chiến đẫm máu tại Nam Kinh, Liêu mắc kẹt trong thành phố cùng Tôn Nguyên Lương, Vương Diệu Vũ và Khâu Thanh Tuyền; ông thoát được cuộc thảm sát Nam Kinh nhờ cải trang làm một nhà sư. Sau Trận Vũ Hán, ông được thăng lên Đại tá Tư lệnh Quân đoàn huấn luyện. Ông viết một lá thư cho Tưởng Giới Thạch, đề nghị cải tổ Quân đội Cách mạng Quốc dân và xây dựng lực lượng thiết giáp hiện đại. Tưởng rất hứng thú với những đề nghị này và bắt đầu có ấn tượng tốt về Liêu. Năm 1938, Tưởng thăng Liêu lên Thiếu tướng Tham mưu trưởng Sư đoàn 200. Tư lệnh của Liêu là Đỗ Duật Minh. Tháng 9 năm 1938, Sư đoàn 200 được mở rộng thành Quân đoàn 5, là đơn vị cơ giới hóa duy nhất trong quân Quốc dân đảng. Liêu lại được bổ nhiệm làm tư lệnh lực lượng dự bị rồi Phó tư lệnh Sư đoàn 22 mới thành lập. Vì Tư lệnh Khâu Thanh Tuyền luôn bận rộn với những nhiệm vụ khác, vai trò của ông tương đương quyền tư lệnh. Tháng 9 năm 1939, Sư đoàn 22 được phái đến Quảng Tây chiến đấu với Sư đoàn 5 Nhật Bản và giành được một thắng lợi quan trọng, giết chết Thiếu tướng Nhật Nakamura Masao cùng 8,000 quân trong Trận Côn Lôn Quan. Sau đó đơn vị của ông được chuyển sang Vân Nam và bảo vệ tuyến đường hậu cần từ Miến Điện. Sau Sự kiện Trân Châu Cảng, cuộc xâm lược Miến Điện của Nhật bắt đầu vào tháng 1 năm 1942, Quân đoàn 15 (Nhật) của Tướng Iida Shōjirō xâm lược Miến Điện thuộc Anh. Chính phủ thuộc địa Anh kêu gọi Trùng Khánh giúp đỡ, Tưởng Giới Thạch thành lập Quân viễn chinh Trung Hoa tại Miến Điện dưới quyền Tư lệnh Tướng Joseph Stillwell, Thiếu tướng Đỗ Duật Minh, Phó tư lệnh Quân viễn chinh Trung Hoa, và Tướng Tôn Lập Nhân, Tư lệnh Sư đoàn 38 mới thành lập, kéo sang giải cứu các lực lượng Anh và ngặn chặn quân Nhật chiếm Miến Điện và đe dọa tuyến đường hậu cần từ đây. Dù các tư lệnh Trung Hoa giành được một số thắng lợi trong Trận Yenangyaung và Trận Toungoo, do vì quân Anh không chặn được bước tiến của quân Nhật, quân Trung Hoa phải rút khỏi Miến Điện. Bị Sư đoàn 18 Nhật chặn đường rút lui, Sư đoàn 22 phải đi qua Cao nguyên Kachin, rất nhiều binh lính thiện chiến chết vì bệnh tật, đói khát hay bị muông thú tấn công, nhưng cuối cùng họ cũng về tới Ledo, Assam. Tại Ấn Độ, Sư đoàn 22 và 38 hợp thành Quân viễn chinh Trung Hoa tại Ấn Độ, Tướng Joseph Stillwell đảm bảo đội quân này được Mỹ trang bị tối tân và huấn luyện kĩ lưỡng. Năm 1943, lực lượng Trung Hoa tấn công Phương diện quân Miến Điện của tướng Nhật Kimura Heitarō. Liêu giành một vài chiến thắng quan trọng và đơn vị của ông được mở rộng thành Binh đoàn 6 năm 1944. Tháng 4 năm 1945, Binh đoàn 6 của tướng Liêu được trở về quê hương sau 3 năm, rồi đánh bại quân Nhật trong Trận Dự Tây. Phó chủ tịch Hội đồng Chiến tranh Hà Ứng Khâm đích thân gắn cho ông Huân chương Thanh thiên bạch nhật, vinh dự cao quý nhất dành cho một tư lệnh Trung Hoa Dân Quốc.