抗战全面爆发后，清华和北大、南开三校南迁，先到长沙共同组建长沙临时大学；后迁至昆明，学校改名西南联合大学。在前后八年极其艰难的环境中，师生们以“刚毅坚卓”为校训，心系国难励精办学，在人才培养、科学研究、服务社会等方面，均有杰出表现。西南联合大学创造了“战时高等教育体制的杰作”。
1937年7月7日，卢沟桥事变发生，中国人民伟大的抗日战争全面爆发。从7月9日起，蒋介石分别邀请各界知名人士在庐山举行关于国是问题的谈话会。清华大学梅贻琦校长与陈岱孙、浦薛凤、顾毓琇、庄前鼎等教授以及北京大学校长蒋梦麟、南开大学校长张伯苓等应邀参加。平津战事日益吃紧，各校纷纷去电告急，要求几位校长迅即返校应变。在北平的清华教授潘光旦、郑之藩等人联合北大等校教授共21人，密电庐山谈话会，“务请一致主张贯彻守土抗敌之决心，在日军未退出以前绝对停止折冲，以维国权。”17日，梅贻琦密电潘光旦，当日早晨当局召开重要会议，表示坚决抗日，并已开始布置。也就在同日，日本东京“五相会议”决定，调遣40万日军侵华，华北局势急转直下。
当时清华正值暑假，一、二、三年级学生在北平西郊妙峰山一带夏令营作军事演习，土木系大部分学生在山东济宁县实习，四年级毕业生有200余人留校找工作、准备研究生与留美公费生考试。教职员大部分都在校内。
7月29日，北平沦陷。8月中，清华决定南迁和疏散办法，并委派张子高教授等组织北平清华校产保管委员会，留校保管校产。9月12日，日本宪兵队侵入学校，大肆劫夺清华的图书、仪器等。后来，1938年初，日军又进而强占清华校舍驻兵。8月中，校舍全部被占，改为伤兵医院和兵营，保管委员会被迫撤入城内。
北平沦陷后，国民政府命令清华、北大、南开三校在湖南长沙合组临时大学。梅贻琦于1937年8月底到达长沙着手筹备，并于9月初在长沙成立清华办事处。教育部指定梅贻琦、蒋梦麟（北京大学校长）、张伯苓（南开大学校长）、顾毓琇（清华大学教授）、周炳琳（北京大学教授）、朱经农（湖南教育厅长）、皮宗石（湖南大学校长）、杨振声（教育部代表）等人为临时大学筹备委员会委员，筹委会主席由教育部长王世杰兼任，梅、蒋、张三位校长为常务委员，杨振声为秘书主任。
1937年10月25日，长沙临时大学开学，11月1日上课。临时大学综合了清华、北大、南开原有的院系设置，设17个学系。截止到11月20日，在校学生共有1452人，其中清华学生631人、北大学生342人、南开学生147人，新招学生114人、借读生218人；教职员共有148人，其中清华73人。
1937年底，南京沦陷，武汉危急，战火逼近长沙，长沙临时大学被迫再度迁校至昆明。正如西南联大校歌中吟唱的“万里长征，辞却了五朝宫阙。暂驻足衡山湘水，又成离别。”
1938年2月，长沙临时大学第一学期结束后，师生便启程奔赴云南昆明。由于战时内地交通困难，女同学和体弱男同学由粤汉铁路到广州经香港、越南入滇，一部分同学沿湘桂公路到桂林经柳州、南宁、越南入滇；还有男同学200余人则组织了湘黔滇旅行团，栉风沫雨行程3200多里（其中徒步行军2600多里），历时68天，横穿湘黔滇三省，完成了世界教育史上罕见的一次“长征”。时年40多岁的教授闻一多不顾体弱，毅然参加步行团。他说：现在国难当头，应该认识认识祖国了!一路上历尽艰辛，但他却焕发了青春，自感“童心复萌”，并挥笔画了50多幅写生画。他还蓄须明志，表示不驱逐*决不剃去胡须。1938年度，西南联大学生人数分类统计，不包括在昆明招收的新生，清华、北大、南开三校旧生共814人，其中清华学生412人；教职员有434人，其中清华教职员共达200多人。
1938年4月2日，教育部以命令转知：奉行政院命令，并经国防最高会议通过，国立长沙临时大学更名为国立西南联合大学。6月8日，“国立西南联合大学关防”到校，7月1日正式启用。学校不再称“临时”，表明抗战的长期性。
西南联大组织结构
西南联大的领导体制和行政组织系统不同于战前清华大学，而是根据三校合组的实际情况以及1938年国民政府颁布的《大学组织法》规定而施行的。西南联大不设校长，由清华、北大、南开三校校长梅贻琦、蒋梦麟、张伯苓和秘书长杨振声组成的常务委员会，梅贻琦任常务委员会主席。常务委员会开会时，各处处长及各学院院长列席。
三校校长中，张伯苓、蒋梦麟均在重庆担任一定官职，很少到校，只有清华大学校长梅贻琦常驻昆明，因此实际由梅贻琦主持西南联大校务。常务委员会下设教务处、总务处、训导处。此外，联大叙永分校及先修班各设主任主持。
西南联大没有评议会（清华办事系统仍保留评议会），只有校务会议和教授会组织。校务会议由常务委员、秘书主任、教务长、总务长、训导长、各学院院长及教授代表（由教授会选举12人为代表）组成，常委会主席梅贻琦任校务会议主席。教授会以全体教授、副教授组成，常务委员会秘书主任为教授会当然成员。教授会的职权与战前清华教授会职权相同。教授会开会时，以常务委员会主席梅贻琦为主席。从职能看，常务委员会是学校最高权利机关，校务会议依照常务委员会决议处理校务，而教授会议只是一个咨议机关。常务委员会主席亲自主持三个会议，使会议的议论和决议有利于常务委员会意图的贯彻。此外，联大还成立了许多专门委员会，处理各类专门问题。
西南联合大学由三校合组而成，但每个学校情况又有不同。相对而言，清华在人力、物力等方面所占比重较大：（一）经费方面，清华有庚款，除了应负担的一部分外，往往还额外给联大一些补助。（二）在图书仪器设备方面，抗战后北大全部图书、仪器设备未能运出，南开也只运出少部分。清华在抗战前曾运出一部分图书、仪器设备，事变后又抢运出一批，以后就作为联大各院系的图书、仪器设备。（三）师资方面，由于北大没有工学院，南开只有化学工程系，所以联大工学院实际上就是清华工学院的继续。理学院百余教师中，清华教师经常占一半以上。文、法商学院的各系，清华教师也占有较大比重。因此，西南联大的规章制度，多以清华的规章制度为蓝本，如联大的教务通则、教授会组织法及一些行政管理制度等，基本是沿用战前清华的章程。因此，陈岱孙总结说：“西南联合大学校内领导体制和清华大学有相似之处。清华大学的领导体制，在西南联大期间，仍然发挥作用，制度的延续性并没有中断。