1941年，“皖南事变”发生，新四军军长叶挺被俘。李济深第二天在桂林得到消息，大为愤慨。他当即给国民党第三战区司令长官顾祝同发报，要求妥善安排好叶挺生活，又联络各界，共同呼吁尽早恢复其自由。李济深还派叶挺的副官梅文鼎等人到上饶看望叶挺，并转告叶挺好好养伤，自己和社会各方正努力争取他早日释放，并和在澳门的叶挺夫人李秀文取得联系，向她及时说明情况。

　　1941年7月，叶挺被国民党当局从江西上饶转押到重庆，途经桂林。李济深当即动身到叶挺囚所探望。不久，蒋介石命令将叶押往重庆。李济深得知此事后，考虑到特务可能在途中加害叶挺，于是密令办公厅二处处长舒宗鎏以“为了防止途中逃跑”为由，改用民航飞机，护送叶挺安全到达重庆，并给何应钦写信，请他设法保护叶挺安全。在李济深等人的强烈要求下，蒋介石被迫同意李秀文探监。

　　1942年年底，蒋介石又把叶挺押解到湖北恩施，交给陈诚看管。李济深联系陈诚，让他设法保证叶挺安全。1943年，陈诚调任远征军司令长官，问叶挺有何打算。叶说:“我有三条路可走:第一是逃跑，第二是自杀，第三是到桂林和任公(李济深)一起住。”经蒋介石批准，同意他去桂林。

　　李济深得知叶挺要来桂林的消息，立即请梅文鼎来桂林，给他一笔钱，让他在建干路买了一栋两层小楼，供叶挺居住，还为叶挺争取了一份“第四战区高参”的待遇，月薪3000元法币和两石米。但由于战时物价飞涨，叶挺一家人经济上仍然十分困苦，为了帮助叶挺，李济深又让他全家搬到桂林远郊的观音山下。这里前有草地、后有荒山，可以种植农作物和放养家畜，贴补家用。

　　叶挺在桂林期间，虽然可以和妻子儿女住在一起，但周围总有特务监视。由于李济深是桂林最高长官，所以尽管受到监视，叶挺仍可自由进出李济深的办公室。

　　李济深在桂林的民主抗日活动，令蒋介石感到不安，遂在1943年11月撤销军委会桂林办公厅，一个月后改派李济深任军事参议院院长。同时，蒋介石害怕叶挺逃脱，命令将叶挺押至湖北恩施囚禁。在李济深的默许下，时任李济深的高级参谋、共产党员的胡希明在李济深办公室向叶挺转达了周恩来对叶挺的问候和指示。

　　叶挺走后，李济深继续照顾留在桂林的李秀文及其家人。日军进攻桂林前夕，李济深曾安排一条船送他们离开桂林，因船被特务扣留，李秀文带着全家流亡到罗定，住在友人谭冬菁家中。后来在李济深的帮助下，全家搬到了广州。

　　抗战胜利后的1946年3月4日，叶挺获释，李济深当时正在重庆出席国民党六届二中全会，两人终于再次见面。（据《人民政协报》）