抗日战争胜利后，国共双方把战略焦点聚集到东北，东北幅员辽阔，工业发达，尤其是重工业占比非常大。为此，国共双方往东北投入大量兵力接收。

作为东北出身的吕正操接到命令，让他率部由山西、绥远，向热河进发。于10月底抵达沈阳，见到先行抵达东北的彭真、肖劲光、伍修权、叶季壮等人。彭真向吕正操介绍东北的情况以及作战方针、任务。

随后东北人民自治军总司令部成立，他被任命第一副总司令，随即展开工作，以他率领的两个团为基础扩编为保一旅，保三旅。

当时的东北尽管派去不少干部，依然很缺，成立军官学校后，他兼任校长，接收伪满军官学校的学生，因为自己是东北人，有一定影响力，有不少东北军旧部找他，要求参加工作。

根据雅尔塔协定，苏联只承认国民党方面，东北我军撤离大城市沈阳，决定组建东满、西满、北满、南满，让干部下基层发动群众，建立根据地，吕正操兼任西满军区司令员。

此时，黄克诚率领的新4军3师，也已经抵达东北，驻守在通辽。

根据作战需要，新四军三师师部于西满军区合并，黄克诚调任西满军区副司令员兼副政委。

新四军3师是一直力量强大的部队，挺进东北时有三万多人，尽管下辖三个旅没有并入西满军区，可3师直属部队也有几千人，是一支强大的力量。

论资历，吕正操认为黄克诚是老资格，他的部队能打仗，战斗力强。他决定黄克诚担任军区司令员比较合适。尽管西满军区有一些部队，也都是来到东北扩编过来的，论战斗力，远不如久经沙场的3师。

黄克诚如果担任司令员，更容易领导和指挥部队作战。为此，吕正操向东北局建议，让黄克诚担任。

经过东北局研究同意，吕正操调任总部管后勤运输，西满军区工作由黄克诚负责。此时任命一直没有下达，或许东北局考虑到吕正操在东北的影响力，并没有急着公布任命。

直到1947年4月，东北民主联军经历三下江南四保临江作战后，逐渐由被动转为主动，黄克诚的任命才正式下达，而吕正操也兼任东北铁路总局局长。

在东北战场上，吕正操没有直接指挥部队打仗，主要工作是建立根据地，发动群众，后勤运输工作。一直到新中国成立后，他也在负责铁路方面的工作。