抗日战争爆发后，刘伯承任八路军第一二九师师长，组织指挥所部进行了夜袭阳明堡、七亘村伏击战以及长生口、神头岭、响堂铺等战斗，后又取得了晋东南反“九路围攻”和冀南反十一路“扫荡”的胜利，创建了晋冀豫抗日根据地。1940年组织部队参加百团大战。后组织正规军、游击队和民兵汇合的武装集团，实行主力地方化，并组建大量武装工作队，实行“敌进我进”，向敌占区的城镇据点和交通线出击，挫败日伪军的“蚕食”和“扫荡”，巩固和扩大了抗日根据地。同时多次反击国民党顽固派军队对根据地的进犯。
解放战争时期，历任晋冀鲁豫军区、中原军区、第二野战军司令员。1945年9月起与政委邓小平指挥了上党战役和邯郸战役，有力地支持了毛泽东、周恩来在重庆同蒋介石的和平谈判。1946年8月率主力部队开赴冀鲁豫前线，组织陇海、定陶、巨(野)金(乡)鱼(台)和豫北等九个大规模的战役，歼灭和钳制了大量国民党军，解放大片地区，有力地配合其他战场击破国民党军的全面进攻。1947年6月，与邓小平率十二万大军突破黄河河防，组织指挥鲁西南战役，随即远离根据地，千里跃进大别山，深入敌腹心地区，立足生根，多次打破敌重兵围攻。9月起与进军豫皖苏的陈(毅)粟(裕)野战军和进军豫西的陈(赓)谢(富治)集团密切协同，在江淮河汉之间大量歼灭敌人，迫使国民党军陷于被动，对扭转全国战局起了决定性作用。1948年11月参与指挥淮海战役，取得战略决战的重大胜利。1949年4月参与指挥渡江战役，并直接指挥第二野战军解放了皖南、浙西、赣东北、闽北的广大地区。同年冬，指挥西南战役，执行远距离迂回包围的作战方针，解放四川、云南、贵州、西康四省。1949年12月，任西南军政委员会主席，中共中央西南局第二书记。
他在长期的战争环境中不懈地学习和研究马克思主义军事理论，运用于中国战争的实践之中。其作战谋略和指挥艺术是毛泽东军事思想的重要组成部分。1950年底，他领导组建人民解放军军事学院，任院长(后兼政委)。1954年起先后任人民革命军事委员会副主席，国防委员会副主席，军委训练总监部部长。1957年9月任高等军事学院院长兼政委。1959年后还曾负责战略研究工作，为推进人民解放军的现代化、正规化建设作出了重大贡献。1955年被授予中华人民共和国元帅军衔和一级八一勋章、一级独立自由勋章、一级解放勋章。他是中共第七届至第十一届中央委员会委员，第八届至第十一届中央政治局委员。1966年1月起任中共中央军委副主席。他还是第二届至第五届全国人大常委会副委员长。1982年辞去党政军领导职务。1986年10月7日在北京病逝。
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