1937年7月29日和30日，北平和天津相继为日寇攻陷，蒋介石万分焦虑。8月1日，南京政府代表张冲急电毛泽东：蒋介石密邀毛泽东、朱德、周恩来速到南京共商国防问题。8月9日，中共中央即派朱德、周恩来、叶剑英飞赴南京，共商国是。
8月12日，中共代表周恩来、朱德又同南京张冲、邵力子、康泽商讨中共起草的《为公布国共合作宣言》。13日，日寇大举进攻上海，国民政府急忙组织淞沪会战，抵抗日寇烧向蒋介石统治心腹地带的战火。自此，蒋介石再无对日妥协之地了。
日寇全面侵华，蒋介石集团受到华北、华东日寇强大军事攻势，顾不上压迫中共军队接受苛刻条件。蒋介石急于调遣红军开赴华北对日作战，便做出重大的让步，同意红军的作战任务是充任战略的游击队，执行侧面作战，协助国民党军骚扰与钳制日军大部并消灭其一部。
8月18日，南京政府同意将红军改编为国民革命军第八路军，下编3个师，设立总指挥部，任命朱德、彭德怀为正副总指挥。蒋介石不再坚持派军官到八路军任职，只往总部及3个师派联络参谋1人。争执已久的红军改编编制及人事问题终于解决了。8月22日，国民政府军事委员会正式公布红军改编的命令。这一天，正好中共中央在洛川召开政治局扩大会议。
8月25日洛川会议闭幕当天，中国共产党中央革命军事委员会主席毛泽东和副主席朱德、周恩来向全军颁布了改编令：
南京已经开始对日抗战，国共两党合作初步成功。为着实现共产党中央给国民党中央三中全会红军改名之保证，使红军成为抗日民族战争的模范，推动这一抗战成为全民族的抗日革命战争，以争取最后的彻底胜利，特依据与国民党及南京政治谈判结果，宣布红军改名为国民革命军第八路军，着将：
前总指挥部改为第八路军总指挥部，以朱德为总指挥，彭德怀为副总指挥，叶剑英为参谋长，左权为副参谋长。
总政治部改为第八路军政治部，以任弼时为主任，邓小平为副主任。
一方面军第1军团、15军团及74师合编为陆军第115师，以林彪为该师师长，聂荣臻为副师长，周昆为参谋长，罗荣桓为该师政训处主任，肖华为副主任。
二方面军27军、28军独立第1师、第2师及赤水警卫营前总直之一部等部，合编为陆军第120师，以贺龙为师长，肖克为副师长，周士第为参谋长，关向应为政训处主任，甘泗淇为副主任。
四方面军29军、30军陕甘宁独立第1、2、3、4团等部，改编为陆军第129师，以刘伯承为师长，徐向前为副师长，倪志亮为参谋长，张浩为政训处主任，宋任穷为副主任。
以上各部改编后，人员委任照前总行之。各师改编为国民革命军后，必须加强党的领导，保持和发挥10年斗争的光荣传统。坚决执行党中央与军委会命令，保证红军在改编后成为共产党的党军，为党的路线及政策而斗争，完成中国革命之伟大使命。
同日，中共中央军委还发表原陕北红军改编命令：原陕北红军分别编入八路军的3个正规师，另从红一、二、四方面军中抽出部分兵力，组成八路后方总留守处，由肖劲光任主任，下辖8个警备团及385旅旅部和770团团部，负责陕甘宁边区的保卫。
编后的八路军编制序列如下：
总指挥：朱德，副总指挥：彭德怀
参谋长：叶剑英，副参谋长：左权
政治部主任：任弼时，副主任：邓小平
第115师
师长：林彪，副师长：聂荣臻
参谋长：周昆
政训处主任：罗荣桓，副主任：肖华
第343旅旅长：陈光，副旅长：周建屏
第344旅旅长：徐海东，副旅长：黄克诚
第120师
师长：贺龙，副师长：肖克
参谋长：周士第
政训处主任：关向应，副主任：甘泗淇
第358旅旅长：张宗逊，副旅长：李井泉
第359旅旅长：陈伯钧，副旅长：王震
第129师
师长：刘伯承，副师长：徐向前
参谋长：倪志亮
政训处主任：张浩，副主任：宋任穷
第385旅旅长：王宏坤，副旅长：王维舟
第386旅旅长：陈赓，副旅长：陈再道
8月29日，中央军委决定成立前方分会（后称华北军分会）。聂荣臻任该会委员。
9月11日，八路军按全国统一的战斗序列改称第18集团军，总指挥、副总指挥改称总司令、副总司令。