1937年抗日战争全面爆发后，中国工农红军主力被改编为国民革命军第八路军，红军前敌总指挥部改为第八路军总指挥部，政治部改为第八路军政治部。不久，按照全国统一的战斗序列，八路军又改称第十八集团军，不过大家习惯上还是喜欢简称它八路军。

根据1944年八路军总参谋长叶剑英对中外记者团的讲述，以及1945年相关材料。八路军从1937年至1945年的逐年兵力如下：

1937年，8万

1938年，15.67万

1939年，27万

1940年，40万

1941年，30.5万

1942年，34万

1943年，33.9万

1944年，50.76万

1945年，102.88万

这些数字不一定准确，但大差不差。其中1939年到1940年暴增13万，主要是有数万人的山西新军，整体加入八路军序列；

1940年到1941年出现锐减，主要是因为百团大战亮完肌肉后，遭日军疯狂报复和蒋介石的针对，根据地经济出现严重问题。

1942年到1943年基本不变，一方面是在进行精兵简政，另一方面是日军持续进行高强度扫荡。

1943年到1944年、1945年不断暴涨，一方面是日军从中国华北地区不断调兵到太平洋战场，另一方面是在全世界反法西斯战争形势一片大好的情况下，蒋介石领导的国民党军打出豫湘桂战役震惊美、苏、英，八路军趁此机会逐步反攻，发展壮大。

1937年8月的八路军编制，下辖115、120、129三个师和后方留守处。其中后方留守处是为了便于统一后方留守部队设立的，驻地在延安。

115师由红一方面军和陕南第74师编成，其中红一方面军红一军团被改编为343旅，红一方面军红十五军团被改编为344旅，陕南第74师被改编为炮兵营和辎重营。

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115师除下辖343旅、344旅外，还有独立团、骑兵营、炮兵营、辎重营和教导大队。

120师由红二方面军和陕北红军一部编成，红二方面军红二军团和陕北红军第28军被合编为358旅，红二方面军红六军团、第32军、总部特务团一个营被合编为359旅，陕北红军第27军、陕甘宁独立1师、2师，分别改编为直属营建制。

120师除下辖两个旅外，还有骑兵营、教导团、炮兵营、辎重营、工兵营和特务营。

129师由红四方面军和陕北红军一部，红四方面军红四军被改编为385旅，红四方面军第31军被改编为386旅，陕北红军第29军被改编为特务营、第30军被改编为炮兵营，陕北独立师1、2、4团被合编为工兵营，3团一部和关中警卫营合编为辎重营。

后方留守处最高首长是主任，由萧劲光担任。后方留守处下分有东地区留守处和西地区留守处，最高首长也都是主任，不过两个地区的留守处主任都是主力旅首长兼任的。

东地区留守处下辖第120师359旅718团、第120师炮兵营、第120师辎重营、第120师工兵营、第120师特务营、第115师炮兵营、第115师辎重营。

西地区留守处下辖第129师385旅旅直、第129师385旅770团、第129师炮兵营、第129师辎重营、第129师工兵营、第129师特务营。

到第二年1938年冬，八路军编制出现很大变化：下辖除115、120、129三个师外，还有山东纵队、晋察冀军区、炮兵团、特务团、后方留守兵团（后方留守处改称）。

各个师下辖的部队也出现不小变化，开始出现军分区、独立旅、独立团、支队、独立支队、保安司令部、警备司令部等编制。

这是八路军蓬勃发展、积极向上的一个关键时期。