七七事變(1937年7月7日)以后，國共合作的統一戰線逐步形成。7月15日，中國共產黨為公布國共合作發表宣言，決定“取消紅軍的名義及番號，改編為國民革命軍”。8月中共中央軍委命令紅軍改編為國民革命軍第八路軍，紅軍前敵總指揮部改稱為第八路軍總指揮部，轄一一五師、一二零師、一二九師。

8 月25日，中央軍委任命朱德為總指揮，彭德懷為副總指揮，葉劍英為參謀長，左權為副參謀長。原紅軍總政治部改為八路軍政治部，以任弼時為主任，鄧小平為副主任。同日，第八路軍總指揮朱德、副總指揮彭德懷通電就職，決心“效命疆場，誓驅日寇，收復失地，為中國之獨立自由幸福而奮斗到底！”9月6日，八路軍總部由朱德、彭德懷、任弼時、左權、鄧小平諸同志率領從陜西三原縣云陽東進。

所屬各師先后東渡黃河，向華北抗日前線進軍。9月11日，第八路軍改為國民革命軍第十八集團軍(習慣仍稱八路軍)，第八路軍總指揮部改為第十八集團軍總司令部(簡稱集總)，朱德為總司令，彭德懷為副總司令。1938年12月，中央軍委決定成立八路軍前方指揮部，簡稱“前指”，設立于晉東南。總指揮朱德，副總指揮彭德懷，參謀長左權，野戰政治部主任傅鐘，副主任陸定一。1943年9月8日，彭德懷離開麻田總部，同劉伯承一起回延安。10日，又任命楊立三為前指副參謀長。

10月6日，中共中央決定一二九師于總部合并(保留一二九師番號)，仍沿用“前方總部”名義。前方總部總指揮彭德懷，參謀長滕代遠，政治部主任羅瑞卿，副參謀長楊立三，供給部部長周玉成，政委周文龍。八路軍前總工作由鄧小平同志主持。在抗日戰爭時期，八路軍部隊不斷發展壯大。1937年8月，紅軍改編為八路軍時共4.5萬人，遵照中共中央的決定，八路軍三個師分別以晉東北之五臺山、晉東太行山、晉西呂梁山以及晉南太岳山一帶為活動地區，廣泛開展游擊戰爭，打擊敵人，壯大抗日武裝。

10月23日，一一五師政委聶榮臻奉命率一一五師一部創建晉察冀抗日根據地。11月7日，建立了抗日戰爭時期的第一個軍區——晉察冀軍區(北岳、冀中、平西、平北、冀東)，此后，又創建了晉綏(晉西北、大青山)、晉冀豫(太行、太岳、冀南)、冀魯豫(冀魯豫、魯西、湖西)、山東(魯中、魯南、冀魯邊、清河、膠東、濱海)等軍區。到抗日戰爭結束的1945年8月，八路軍的三個師分別兼任山東軍區、晉綏軍區、晉冀魯豫軍區和晉察冀軍區。在八年抗戰中，各師擴大了編制，又一度組建了第一至第五縱隊以及冀察熱挺進軍等，總兵力由改編時的 4.5 萬人發展到102萬人。據不完全統計，我八路軍共與日偽作戰12萬次，斃傷、俘虜日偽125萬人，創造面積達246萬平方公里，人口近1億的抗日根據地，為中國人民民族解放戰爭作出了貢獻。1947年6月，八路軍全部改編為中國人民解放軍。