赵寿山的家乡在陕西省户县，他的少年时期，正是中国积贫积弱，面临被帝国主义瓜分之际，青年时期，他便立志报效祖国，抱着“富国强兵”的愿望，考进陕西陆军小学，辛亥革命后转入陆军测量学校，投入反对北洋军阀斗争的革命洪流之中。
1924年，陕西靖国军反对北洋军阀失败，杨虎城坚持靖国军旗帜，退至陕北“三边”改编为陕北镇守使署步兵团进行整训。赵寿山非常钦佩杨虎城不屈不挠的革命精神，当年春天，应杨虎城之邀来到杨虎城的部队，从军事教官做起，帮助杨虎城训练部队。后来，杨虎城率领的部队不断壮大，发展成为国民革命军第17路军。赵寿山在这支部队里度过了20年的时光，同杨虎城将军结下了手足情谊。
赵寿山来到杨虎城部，正值大革命的浪潮风起云涌，冯玉祥推翻了直系曹锟的北京政府，杨虎城部被编为国民军第3军第3师，由陕北出师关中与陕督吴新田部作战，赵寿山担任杨虎城部的教导营营长，随部队英勇作战。
1926年4月，北洋军阀吴佩孚指使刘镇华的镇嵩军围攻西安。赵寿山随杨虎城坚守西安8个月，进行了艰苦的战斗，打退了刘镇华部的数次围攻。西安解围后，杨虎城部改编为国民军联军第10军，因赵寿山作战有功，杨虎城提拔他担任第2师混成团团长。
1930年4月，蒋介石、冯玉祥、阎锡山之间展开军阀混战，西北各地狼烟四起，杨虎城被蒋介石任命为第17路军总指挥，率领部队向西安进发。奉杨虎城之命，赵寿山率两个营留守南阳，任后方留守司令。正在此时，杨虎城西进受阻，急调赵寿山增援。赵寿山率部队一路西进，迅速攻占洛阳龙门，直抵陕西潼关。为确保顺利占领潼关，赵寿山率部绕道潼关南太峪镇，继出潼关西十里吊桥，迫使驻守潼关的冯系宋哲元部仓皇北撤朝邑，赵寿山一举拿下陕西东大门潼关，保证了杨虎城率部向西安进军。潼关之役，赵寿山成为杨虎城部的开路先锋，深受杨虎城的赞赏。10月，杨虎城担任陕西省政府主席，任命赵寿山为第17路军17师51旅旅长，同时命令赵寿山率部进驻汉中，兼任汉中绥靖区司令，肃清地方势力，成为镇守汉中的地方要员。
1935年，当中国工农红军第四方面军由鄂豫皖转战陕南到达汉中时，赵寿山不愿与红军作战，对蒋介石“攘外安内”政策不满，借看病为由，离开部队到平、津、沪等地游历，在与各地的共产党人接触中，受到革命思想的影响，赞同共产党提出的“停止内战，一致抗日”的主张。
1936年10月，赵寿山回到陕西，向杨虎城将军作了多次汇报，并提交《抗日意见书》指出：“非团结不足以言抗日，非抗日不足以言救亡”，“只有停止内战，一致抗日，才是救国唯一出路。”赵寿山主张联合红军、东北军共同促蒋抗日，建议如蒋来西安，必要时可把他扣起来逼其抗日，这对杨虎城后来联合张学良发动西安事变产生了一定影响。在全民族奋起抗战的大背景下，杨虎城将军决定筹办军官训练大队并亲任大队长，为准备抗日培训骨干，同时任命赵寿山担任副大队长，作为他的助手，负责培训具体事宜。
12月12日，在中华民族命运的转折关头，杨虎城联手张学良毅然发动震惊中外的“西安事变”。赵寿山被杨虎城任命为总指挥，全权指挥西安方面的军事行动。根据杨虎城的命令，赵寿山指挥孔从洲的部队，迅速消灭了蒋介石在西安的军事力量，拘捕了国民党中央在西安的全部军政大员，解除了西安反动武装，维持了西安的社会秩序。赵寿山在西安事变中的作用，不但得到杨虎城的信任，也受到参与解决西安事变的中共中央副主席周恩来的赞赏。
蒋介石在张学良的护送下回到南京后，背信弃义，扣留了张学良，引起东北军内部矛盾激化。在蒋介石的威逼下，第17路军被缩编为第38军，不久杨虎城被迫辞去所担负的所有职务，准备出国考察。已担任第38军17师师长的赵寿山，亲自赶到上海送杨虎城出国，托杨的秘书在上船后转告杨虎城将军：“此去前途如何，难以逆料。但是不管天变地变，双十二举义初衷不能变，抗日立场不能变，杨先生坚持的正义主张不可动摇。”杨虎城归国后即遭蒋介石关押，赵寿山每次去重庆，都要设法打听杨虎城的近况。全国解放后，赵寿山常说：“未能救出杨先生，是我终生憾事！”