1939年9月，庞炳勋升任第二十四集团军总司令。 　　
1941年5月，日军发动了中条山战役，国民党军队遭到严重打击，退出中条山区，第二十四集团军所辖第二十七军的一个师投降当了伪军。当时庞炳勋已年过花甲，身体不佳，曾三次提出辞职，未获批准。
   　
l0月，为配合中原作战，阻止黄河以北的日军南下增援，庞炳勋指挥第四十军对汤阴至安阳间的平汉路进行了一次破袭战，使日军的铁路运输中断半月之久。
1942年6月，日军对太行山地区进行“扫荡”，庞炳勋退往深山区消极避战，只有一○六师广大爱国官兵进行了小庄山战斗，给日军以沉重打击。
  日军扫荡结束后，庞炳勋才返回林县防地。 　　
1943年4月，日军抽调5万余人，“扫荡”太行山区。中旬，日军从东、西、南三个方向，分成十几路，向庞炳勋防地扑来。各军防地先后被突破，庞炳勋没有组织迎击，而是带领集团军总部和四十军军部向深山区转移避战。
  4月29日晚，庞部在距陵川24公里的九连窑附近与日军发生遭遇战，总部人员大乱。转移中庞炳勋本来是坐在抬椅上的。战斗打响后，抬他的人不知去向，只有他和他的儿子庞庆振(时任总部参谋)以及两个卫士躲在了一个山沟里，与军部失去联系。当夜，第四十军军长马法五集合被打散的总部和军部人员突围南下。
  第二天天亮后，庞炳勋发现敌人已经退去，部队也已经转移，自己成了光杆司令，便向东走，企图返回林县寻找部队，行至辉县三郊口附近时，又遇日军，在群众的引导下藏在半山腰上的一个山洞里。数日后，已投降日军的新五军军长孙殿英得知庞炳勋隐藏的山洞以后，立即报告了日本人。
  日军派了一个叫田中彻雄的少尉带领十余人，由孙殿英的秘书李国安带路，找到了庞炳 勋。经过了一番讨价还价的谈判，庞炳勋于5月7日半推半就地跟随日本少尉到了日军所在地新乡，正式投降了日军。5月23日，汪精卫伪政府任命庞炳勋为伪暂编第二十四集团军总司令。
   　　
庞炳勋投降日伪后，国民党进行了策反，曾密令庞炳勋以军事演习为名，南渡黄河脱离日军，并由洛阳战区派原四十军参谋长王瘦吾在荥阳县境汜水附近、黄河南岸的枣树沟设立联络处，负责接应庞炳勋渡河。但由于庞炳勋拖延了时间，被日军发觉，取消了演习，并对庞炳勋严加防范，将其唯一的三十九师由新乡附近的汲县调往远离新乡的长垣县，致使南返计划落空。
   　　
1944年初，庞炳勋调任伪开封绥靖公署主任，并带去一个独立团。在此期间，庞炳勋既接待南京汪精卫伪政府的官员，也接待重庆国民党政府的官员，他的公署成了蒋汪合流的一个场所。 　　
1945年8月，日本投降，伪政府随之垮台。庞炳勋急忙致电蒋介石，表示戴罪开封，听候发落。
  蒋介石复电慰勉并委以先遣军司令，庞炳勋转而又为蒋介石卖力，阻止八路军进城对日军受降。 　
10月，蒋介石不顾全国人民的反对，发动内战，进攻华北解放区，国民党第四十军在邯郸一带被歼灭。该残部逃回安阳后，庞炳勋便将他的伪四十军(实际不足一个师)交出，与国民党四十军残部合编，并拿出一部分款项，重新组建了一个师。
  
  此后，他不再担任军职，只任挂名的国防部咨议的虚衔，在开封闲居，不久迁居到四十军防地新乡，后迁居郑州和南京。就在南京解放前不久，庞炳勋携带他的姨太太和一双儿女，随他的老部下李振清到了台湾，居住在台北市。 　　
1963年1月12日，庞炳勋死于台北，时年85岁。