光绪二十年（1894），甲午战争爆发，吕本元奉檄出征，行前面见李鸿章上条陈十二事，受到嘉许。八月，平壤告急，朝廷派数省官军前去增援。但是直到九月十三日，只有吕本元率马队两营日夜兼程，在增援平壤的队伍中第一个驰抵安州。九月十五日，平壤失守，吕本元跟从前线指挥官帮办军务宋庆退保鸭绿江防线。时盛军统领卫汝贵因在平壤战役临敌溃退，被“撤去统领，听候查办”，李鸿章推荐吕本元升任四川重庆镇总兵，卫汝贵所部盛军归吕本元、孙显寅会统，防守安东县沙河镇一线。
十月二十四日，日军第一军司令官山县有朋派遣佐藤正大佐率第十八联队由朝鲜水口镇涉水渡江，攻占安平河口，击退黑龙江齐字练军倭恒额部。宋庆派吕本元马队星夜驰援。二十五日，日军主力进攻清军鸭绿江防线九连城虎山阵地，与清军宋得胜、马金叙、马玉昆、聂士成四路兵马展开激战。正当清军“子药垂尽”之时，吕本元率五百骑兵赶到，加入战阵，“贼尸盈野”。激战四小时后，“吕本元受枪子十余处”。终因三面受敌，寡不敌众，伤亡惨重，虎山失守。吕本元、孙显寅率盛军从宋庆退往凤凰城。不久，宋庆回援金州、旅顺，留吕本元守连山关、甜水站，与聂士成、孙显寅等扼摩天岭通道，阻止日军由东路进犯辽沈。十一月十二日，日军第十旅团一部进犯连山关口，吕本元“率马队等追贼至金家河”。十四日，吕本元“与聂士成等迎剿，血战两昼夜，十五晚方收队。”因“兵单而无炮”，退守分水岭，连山关失守。二十五日，吕本元在聂士成支援下重新收复连山关。连山关境内的最高山峰摩天岭即大高岭，为朝鲜进入沈阳的要冲。吕本元命令各军张旗帜于各山要隘间，广为疑兵，而伏精锐部队于密林深处。当夜下起大雪，日军二百余人身穿白色衣服冲入，中伏被歼灭。第二天，又有穿华人服装的军队到来，本元立即命令击杀数百人，原来都是乔装成华人的日军。有部下问吕本元，怎么知道是敌军?吕本元回答：“此易辨耳，果吾国军逃败来归，今何时安得从容偷度而敌绝不知觉乎？”日军气愤诡计行不通，就纠集大批军队前报复，吕本元命令军中坚阵固守，闻信号出战，退者斩。然后悄悄的派遣死士绕到敌后袭击，下令齐出攻敌向前冲锋。而请聂士成部从阵地两翼兜击。日军前后被压，乃大溃败。激战一日夜，甜水站、分水岭、连山关各险要地，全部克复。有论者谓，“非本元安州一战，辽东早非我有矣。”次日，吕本元、聂士成、依克唐阿等部在草河岭与日军展开激战，击毙日军步兵大尉斋藤正起,击伤炮兵大尉池田纲平等。光绪二十一年（1895）一月十一日，为配合西路清军依克唐阿等反攻海城，吕本元、聂士成、孙显寅等由摩天岭、连山关主动出击，经通远堡进攻雪里站日军。甲午战争结束后，吕本元率兵退回直隶。
光绪二十六年（1900），八国联军进攻中国。吕本元署天津镇总兵。六月二十一日，清朝政府对英、美、法等各国宣战。七月九日，直隶提督聂士成战死。吕本元代理直隶提督，统领淮、练各军。八月四日，八国联军进犯天津北仓，吕本元带领清军，联合义和团数千人，与敌血战。激战4小时，毙伤俄军六百余人、日军四百余人、英军一百二十人。后来退至杨村，再战歼敌三百余人。吕本元受多处弹伤，赏穿黄马褂，任直隶提督。
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吕本元驻扎摩天岭残碑
对于吕本元抵抗外侮的英雄事迹，因宣传较少的关系，他的故乡滁州人也知之甚少。但是，《辽阳县志》《淮军志》《清季外交史料》《本溪县抗战史》《清日战争》《中国沈阳战争全景录》《八国联军侵华战争回忆录》《甲午中日战争纪要》《甲午战争史》《甲午中日战争人物传》这些记载晚清抵抗外侮的著作中，吕本元已经青史留名。至今，在天津市津南区小站镇会馆村的“周公祠”（周盛传）内的右山墙上，绘制着一幅《丹东鏖战图》，并附说明：“盛军队伍中，既有马玉昆、吕本元等浴血奋战的英雄，也有卫汝贵等临阵畏缩的败类。” 2014年9月，在本溪县连山关镇摩天岭村细河岸边发现《重修摩天岭关帝庙碑》残碑一块，其碑文中“孙吕总统驻扎兹土”即是记载吕本元、孙显寅驻扎于摩天岭抵抗日军。此碑今藏于本溪市博物馆。
吕本元天资聪颖，作战勇猛，屡立战功。又得李鸿章器重，成长为一品将军。是清代皖东地区除四川总督吴棠之外的第二个封疆大吏。因此，李鸿章的侄子、云贵总督李经羲誉为“青史垂名，列传应随先太傅（李鸿章）。”
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吕本元墓，摄于2009年
