Khi Chiến tranh Trung-Nhật bùng nổ, Tưởng Giới Thạch thuyên chuyển Lý Di sang chỉ huy quân thường trực sau khi có tin đồn ông định phản lại Chính phủ Quốc dân. Các tư lệnh dưới quyền ông cứu ông khỏi bị bắt và đảm bảo cho lòng trung thành của Lý. Năm 1940, Lý Di được thăng chức Tư lệnh Sư đoàn 1 danh dự, tham chiến chống Lục quân Đế quốc Nhật Bản tại Hoa Trung, và tiêu diệt được 1 sân bay Nhật. Năm 1940, ông tham gia Trận Côn Lôn Quan cùng Đỗ Duật Minh và Khâu Thanh Tuyền, quét sạch một lữ đoàn Nhật. Năm 1944, ông tham gia "lực lượng Y", dưới quyền Vệ Lập Hoàng, trong Trận Bắc Miến Điện – Tây Vân Nam (Điền Tây Miến Bắc), tiêu diệt các sư đoàn 55 và 56 Nhật Bản. Năm 1945, Lý Di được thăng lên hàm tướng, chỉ huy Quân đoàn 8 trong khi vẫn chỉ huy Sư đoàn 1 danh dự.