因为120师所在的晋西北成了大后方，有大量部队被派出，120师所属部队在抗战期间变化较大。其中较著名有：
1、1938年1月，120师进行整编，以山西忻崞独立团改为358旅714团，团长顿星云，政委彭德大；以河北平山独立团改为359旅新718团（原718团留陕，编为警备第八团），团长陈宗尧，政委刘子奇；以山西崞县独立团改为359旅719团，团长贺庆积，政委陈文彬。5月下旬，宋时轮支队（1937年9月28日，以716团第2营为基础组成宋时轮支队，又称雁北支队，宋时轮任支队长）在河北省宛平县西部与邓华支队合编为八路军第4纵队，宋时轮为司令员，邓华为政委，李钟奇为参谋长，苏梅为政治部主任，归晋察冀军区指挥。6月，以715团为基础组成大青山支队，支队长李井泉，参谋长姚喆（1939年2月，大青山支队改为骑兵支队，姚喆为支队长）。
为了巩固冀中，扩大部队和抗日根据地，1938年12月22日，120师主力从晋西北岚县出发奔赴河北中部，随即扩编部队。1939年3月间，以715团和冀中独立第4支队合编为独一旅，旅长高士一，政委朱辉照，副旅长王尚荣，下辖独1、2、3、团和715团；4月6日以716团和冀中独立第5支队合编为独立2旅，旅长魏大光，政委王同安，副政委廖汉生，参谋长赵振国，（9月，改称张358旅，旅长张宗逊，政委张平化）下辖独立4、5团和716团。与此同时，留在晋西北地区的714团、警备第6团以及由晋西北游击队改编的独立第1、2团和独立第6支队合编为彭358旅，旅长彭绍辉，政委罗贵波，参谋长李夫克，政治部主任张平化。1940年初，贺龙率358旅由晋察冀返回晋西北，扩大部队万余人。
1940年2月，120师主力在晋西北地区配合新军粉粹阎锡山发动的“十二月事变”。2月下旬，晋西北新军总指挥部成立，总指挥续范亭，政委罗贵波，参谋长张希钦，下辖暂1师、决死第2、4纵队、工卫旅，新军归120师指挥。11月7日，晋西北军区成立，下辖6个军分区，司令员彭绍辉，政委张平化，辖独立第2旅（旅长彭绍辉兼）及暂1师（师长续范亭兼）；第三军分区，司令员张宗逊，政委李井泉，辖358旅（旅长张宗逊兼）；第四军分区，司令员王尚荣，政委白坚（代政委洗恒汉），辖独立第1旅（旅长高士一，政委朱辉照）及决死第四纵队（司令员兼政委雷任民）；第八军分区，司令员韩钧，政委王逢源，辖决死2纵队（纵队司令员韩钧兼）及工卫旅（旅长兼政委侯俊岩）；1941年3月成立了军区直属军分区，司令员陈漫远；5月成立了第五军分区，司令员郭鹏，政委胡全。晋西北军区的成立，对加强地方武装和人民武装的建设起了重大作用。1941年大力加强了地方武装建设，到1941年底地方武装共有5个支队21个大队。地方武装的发展，一方面使主力部队得到了及时的补充，另一方面加强了对敌斗争的力量。
1942年3月，为了积蓄力量坚持敌后游击战争，晋西北军区部队进行了精简，主力部队由近4万人减至3．5万人。9月，晋西北军区改为晋绥军区，120师兼晋绥军区，属联防军司令部建制。部队进行了第二次精简，主力部队减至2．5万人，并调整了军分区机关。晋绥军区下辖直属军分区，司令员陈漫远；独二旅兼第二军分区，旅长兼司令员许光达，政委张平化，副政委廖汉生；第四军分区并入第三军分区，358旅兼三分区，旅长兼司令员张宗逊，政委李井泉，副司令员贺炳炎，副政委白坚；大青山抗日根据地与第五军分区合编为塞北军分区，司令员姚喆，政委高克林；以第三军分区一部组成第六军分区，代司令员孙超群，政委刘文珍；新军总指挥部并入第八军分区，司令员兼政委罗贵波，参谋长张希钦，政治部主任李曙森；独一旅，旅长高士一，政委朱辉照，代政委洗恒汉；359旅，旅长兼政委王震，副旅长苏进；河防司令部，司令员杨嘉瑞，副司令员王宝珊。
为了创建湘鄂赣边抗日根据地，把中原地区和广东东江地区联结起来，1944年10月，以359旅第一梯队为基础组建了八路军第一游击支队（简称南下支队）。支队长王震，政治委员王首道，副司令员郭鹏，副政治委员王恩茂，参谋长朱早观，政治部主任刘型，下辖五个大队，还有两个干部大队。第一大队，由717团的2个营编成；第二大队，由718团的3个营编成；第三大队，由719团一营编成；第四大队，由特务团之教导营编成；第五大队，由4支队编成。中央机关及党校调赴新四军五师工作随南征兵团行动的干部编成六、七大队，共4000余人。717团1个营，719团两个营，特务团之特务营和旅直一部，共4000人，由副旅长苏进领导留守陕甘宁边区，担负着保卫边区和从事生产建设的任务，并作为南征的第二梯队。11月9日，部队奉命从延安南下。1945年1月27日，在鄂豫根据地之大悟山与新四军第五师会师。3月下旬，南下支队攻占平江。4月初，毛泽东电示，我军要将根据地建立在敌占区，并提出要进至湘南郴县、宜章地区，为适应湘赣边斗争情况和便于敌后工作，经报请中央批准，南下支队改为“湖南人民抗日救国军”，下辖6个支队，并争取伪军左八的两个团3000余人、毕坊清的5个团5000余人起义，分编为湖南人民抗日救国军第一、二师。为了扩大华南解放区，5月18日，军委令359旅第二梯队组成八路军游击第二支队，以刘转连为司令员，张启龙为政委，晏福生为副政委。于6月初由延安出发，经晋绥、太岳渡河南下，后因形势变化，开赴东北，编入东北民主联军序列。8月25日，南下支队到达湘赣粤边的大庾县附近。为了避免内战，支队于8月30日开始北返，10月到达礼山地区，第二次与新四军五师会师。不久，奉命撤消救国军名义，恢复359旅番号。
1945年7月，晋绥军区组成3个二级军区。吕梁军区，司令员兼政委张宗逊，副政委兼政治部主任罗贵波，副政委解学恭，参谋长张希钦。下辖三分区，司令员陈刚，政委秦立声，副政委李梦龄；四分区，司令员杨秀山，政委刘文珍；七分区，司令员兼政委马佩勋；八分区，司令员王长江，政委甘一飞。雁门军区，司令员许光达，政委朱明，副司令员孙超群。下辖二分区，司令员李文清，政委胡治合，副司令员刘子奇；五分区，司令员王示军，副司令员范忠祥；六分区，司令员孙超君兼，副政委龙福才；十一分区，司令员黄立清，政委张毅忱；绥蒙军区，司令员姚喆，政委张达成，副政委苏廉益，参谋长邓家泰，政治部主任任饶兴。下辖骑兵旅，旅长康健民，政委王再兴，副政委李佐玉。军区直属一分区，司令员马仁兴。同时成立晋绥野战军，辖358旅独立一、二旅。358旅，旅长黄新廷，政委余秋里；独立一旅，旅长王尚荣，政委朱辉照；独立二旅，旅长许光达，政委孙志远；9月，组成独立三旅，旅长杨嘉瑞，政委金如柏。 政治部主任。抗战结束前，军区司令员为贺龙，李井泉任政治委员，续范亭、周士第任副司令员，陈漫远任副参谋长，张平化任政治部主任。同时成立了晋绥野战军，司令员贺龙，参谋长张经武，政治部主任甘泗淇，副主任洗恒汉。
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