与此同时，晋察冀军区和八路军第120师各一部在平西地区组成八路军第4纵队，归晋察冀军区指挥，宋时轮任司令员，邓华任政治委员，辖第11、第12支队和骑兵大队、独立营共5000余人。6月，第4纵队主力由平西取道平北，挺进冀东。7月，配合中共冀热（热，热河省，今分属辽宁、河北、内蒙古）边特委发动和领导冀东20余县及开滦煤矿20余万人的武装暴动，并组成约10万人的冀东抗日武装。

9月，第3纵队组成独立第1支队兼第5军分区。10月，冀东抗日武装5万余人在随第4纵队主力向平西转移途中受挫，剩下的数千人一部到达平西，一部返回冀东，与第4纵队留下的部队一起坚持冀东地区抗日斗争。

1938年，全区部队多次对平汉、平绥、同蒲、正太、平津铁路进行破袭作战，挫败日军对冀中区的春季进攻、两次连续进攻及对北岳区的秋季进攻，沉重地打击了日伪军。

1939年1月下旬，第120师师长贺龙、政治委员关向应按照中共中央军委的指示，率师部和2个团（欠1个营）、1个独立支队共6400余人到达冀中，协同第3纵队坚持平原游击战争。第3纵队归第120师指挥（建制仍属晋察冀军区），会同第120师主力挫败日伪军对冀中地区的第三、第四、第五次围攻，巩固和发展了冀中根据地，壮大了第3纵队兼冀中军区部队。2月，抗大第二分校在校长陈伯钧率领下进至河北省灵寿县陈庄，与晋察冀军区军政干部学校合并办学。

从2月开始，晋察冀军区按照八路军前方总部的要求，对全区部队分期分批地进行整编。北岳区4个军分区的部队编为12个主力团及游击军。第4纵队和冀东抗日武装整编为5个主力团，组成冀热察挺进军，萧克任司令员，同时撤销第4纵队番号。冀中军区在反击日军的连续进攻后，即以两个独立支队与第120师的两个主力团合编为该师的独立第1、第2旅；其他部队整编为警备旅和第6至第10支队。至年底，晋察冀军区主力部队连同游击队共9.5万余人。1939年10月，晋察冀军区技术研究室成立。

1940年1月初～6月底，晋察冀军区部队分两期进行政治整军（冀中军区部队分三期），经过整军，加强了党的领导，克服了工作中的形式主义以及部分干部存在的军阀主义残余和游击习气等不良作风。

在政治整军期间，1月，由北岳区两个主力团和冀中军区警备旅组成南下支队，由聂荣臻率领赴晋东南，参加反击国民党顽军朱怀冰、庞炳勋等部的作战；以冀中军区5个团和津南自卫军组成南进支队，由第3纵队兼冀中军区政治委员程子华率领开赴冀南，参加反击国民党顽军石友三部的作战，其后支队指挥部和其中两个团转隶于八路军第2纵队。2月，第120师主力返回晋西北。4月，成立平西军分区，北岳区组建第5军分区（翌年5月与第1军分区合并，第5军分区番号撤销）。7月，成立冀东军分区；12月，成立平北军分区，均隶属于冀热察挺进军。至此，晋察冀军区辖冀中军区、冀热察挺进军，共12个军分区、37个团、20余个游击支（总）队，总兵力约10.9万人，民兵约50万人。

从1939年初至1940年底，晋察冀军区部队与第120师配合，多次进行破袭作战，挫败了日伪军的围攻和“扫荡”，反击了国民党顽军的反共“摩擦”，先后取得上下鹤山、齐会、大龙华、上下细腰涧、陈庄、雁宿崖、黄土岭等战斗的胜利，在黄土岭战斗中击毙日军阿部规秀中将。参加了百团大战，给华北日军以沉重打击。

1941年，日军华北方面军开始推行所谓“治安强化运动”，进行军事、政治、经济、文化相结合的“总力战”，更加频繁、残酷地进攻晋察冀抗日根据地，并实行分割、封锁和烧光、杀光、抢光的“三光”政策，制造“无人区”，使敌后抗日游击战争进入一些困难阶段。为渡过难关，晋察冀军区于5月以各军分区的游击支队、独立营、基干团和部分主力团为基础，在北岳、冀中、冀东区编组25个地区队，坚持进行抗日游击战争。

1942年2月，晋察冀军区开始进行精兵简政，撤销冀热察挺进军，萧克任晋察冀军区副司令员。同时，在平西地区成立第11军分区，平北军分区改称第12军分区，冀东军分区改称第13军分区，均归晋察冀军区直接指挥。整编中，根据中央军委关于加强敌后根据地军事建设的指示，将所属武装力量明确划分为主力军、地方军与民兵，重点加强地方军和民兵的建设。主力军编为11个甲种团、21个乙种团，约6.7万人；地方军编为30个地区队和县、区游击队等，约2.8万人。整编后，总兵力由1940年底的近11万人减至9.5万人，年底又减至8.4万人，民兵由1941年底的30万人增至约40万人。

8月，程子华、刘澜涛任晋察冀军区副政治委员。同月，晋察冀军区根据中共中央的指示，开展整风运动，经过半年多时间的整顿，广大党员干部的政治思想觉悟有所提高、组织纪律性大为加强，各部队普遍加强了党的领导，增强了克服困难，取得抗战胜利的信心。

1943年，部队再次精简整编，主力团一律改为辖4～5个连的小团。北岳区为15个团、10个地区队；冀中军区所辖的6个团由于暂不能返回冀中，分别编入第1、第3、第4、第11军分区序列；在北岳区的地区队，从3月起陆续返回冀中，投入恢复抗日根据地的作战；警备旅调归八路军第129师建制。

在平北地区撤销第12军分区。其所属部队转隶于第11军分区。第11、第13军分区辖7个团、7个地区队。年底，全区总兵力减至7.1万余人，民兵增至60万人。

同年8月，聂荣臻赴延安参加中国共产党第七次全国代表大会，萧克代理军区司令员、程子华代理政治委员。后萧克去延安，程子华兼代司令员。同月，撤销第3纵队兼冀中军区，所属军分区由晋察冀军区直接指挥。

为粉碎国民党顽固派发动的第三次反共高潮，保卫中共中央，增加晋绥反攻力量，1943年8月～1944年春，晋察冀军区抽调12个团，分由吕正操、邓华率领，开赴晋绥军区和陕甘宁边区。同时，抗大第二分校也调往延安。

1941～1943年，晋察冀军区部队多次挫败日伪军对北岳、冀中、冀东地区的大“扫荡”，其中规模较大的有：1941年秋季，挫败日伪军7万余人对晋察冀边区的进攻；1942年春、夏季，挫败日伪军4万余人对冀东地区的进攻；同年5～7月，挫败日伪军5万余人对冀中地区的五一大“扫荡”；1943年秋季，挫败日伪军4万余人对北岳区的进攻。

晋察冀军区部队在坚持和发展山地及平原游击战的同时，广泛开展群众性的游击战。在平原地区，开展地道战、村落战、地雷战、麻雀战；在山岳地区，利用有利地形，开展冷枪运动和地雷战；在白洋淀水域，采用水上游击战；在铁路和公路干线上，开展破坏交通、通信设施的破袭战。

从1943年春季起，晋察冀军区部队由游击战向运动战发展，进行运动战，北岳区各军分区还以部分主力和地区队配合地方干部，组成多支精干的武装工作队，渗入日伪军占领区，在军事打击的同时，开展强大的政治攻势，瓦解日伪军，有力地配合了反“蚕食”和恢复、开辟抗日根据地的斗争。至年底，攻克、逼退日伪军据点600多处，在3500多个村庄建立了抗日政权，恢复和发展了数十块抗日游击根据地。

1944年春，日军为打通中国大陆南北交通线，从华北战场抽调兵力南下。日军华北方面军开始收缩兵力，撤出部分据点，企图固守重要城镇和主要交通干线。晋察冀军区开始攻势作战。从9月开始，为适应斗争形势和恢复发展部队的需要，成立4个下属军区：冀晋军区，赵尔陆任司令员，王平任政治委员；冀中军区，杨成武任司令员、林铁任政治委员；冀察军区，郭天民任司令员、刘道生任政治委员；冀热辽军区，李运昌任司令员兼政治委员。至年底，全区总兵力由攻势作战开始时的6.6万余人，增加到9.1万余人，民兵增加到63万人。共歼灭日伪军4.1万余人，攻克据点1700余处，攻克或袭入32座县城，解放人口750余万。与此同时，晋察冀军区开展了大生产运动，减轻了人民群众的负担，改善了部队的生活。

1945年春、夏季，晋察冀军区部队继续进行攻势作战。冀中军区相继进行了任丘、河间战役，文安、新镇战役，安平、饶阳战役，子牙河东战役，大清河北战役；冀晋军区进行了雁北战役；冀察军区进行了察南战役和平北战役；冀热辽军区进行了热辽战役。1～7月，全区共歼灭日伪军2.8万余人，拔除据点790多个，收复县城15座，解放人口500多万，扩大根据地面积13.5万多平方千米。8月，为适应全面反攻的需要，晋察冀军区迅速将小团扩编为大团，陆续将地区队、县支队、县大队，改编为62个主力团，共发展到100个团。接着向日伪军展开了全面反攻（包括冀热辽军区向东北地区进军，协同苏联军队和东北抗日联军作战）。经过3个多月的全面反攻作战，共歼灭日伪军7万余人，解放了张家口、承德、秦皇岛、山海关、集宁、丰镇、绥中、锦州等70余座城市，收复热河、察哈尔两省全部，河北省大部及辽宁、山西、绥远省（今内蒙古中部）部分地区，人口达到4000余万。

抗日战争胜利后，晋察冀军区奉命编组野战军和地方军：冀察军区部队编为两个纵队，分辖第6、第7、第9旅和骑兵旅、第8旅、第10旅；冀中军区部队编为两个纵队，分辖第11、第12、第13旅和第1、第2旅；冀晋军区部队编为两个纵队，分辖第1、第2、第3旅（冀热辽军区第25旅改称）和第3、第4旅；冀热辽军区部队编为两个纵队，其中冀东纵队辖第12、第13、第14旅，热辽纵队辖第22、第27、第30旅和混成旅。

1945年11月，晋察冀军区将所属8个纵队和调归军区建制的晋冀鲁豫军区第1纵队，编为2个野战军和1个教导师。第1野战军由聂荣臻兼任司令员和政治委员，辖4个纵队；第2野战军由萧克兼任司令员，军区副政治委员罗瑞卿兼任政治委员，辖5个纵队。第1野战军在张家口以西地区，与晋绥军区部队协同作战，取得平绥路战役的胜利；第2野战军在张家口以东地区，抗击向承德进犯的国民党军，保卫冀热辽解放区。

12月，第1野战军指挥机构撤销，第2野战军机构合并于冀热辽军区机关，萧克兼任冀热辽军区司令员，程子华任政治委员，罗瑞卿兼任第二政治委员，野战部队归晋察冀军区直接指挥。此时，全区野战军9个纵队，共21.9万余人；地方军编为冀中、冀晋、冀察军区及隶属于冀热辽军区的冀东、热河军区，共10.4万余人。全区部队总计32万余人，另有基干民兵90万余人。

1946年1月5日，中国共产党与国民党当局初步达成关于停止国内军事冲突的协定。1月10日，双方下达停战令。3月，晋察冀军区奉命进行缩编，将9个野战纵队缩编为4个纵队，原晋冀鲁豫军区第1纵队仍为第1纵队，晋察冀军区野战部队编为第2、第3、第4纵队。同时，以部分野战纵队充实地方军，原有的冀中、冀晋、冀察军区及隶属于冀热辽军区的冀东、热河、热辽军区，均增编两个独立旅；晋察冀军区教导旅改编为张家口卫戍司令部。

同年6月，国民党发动全面内战，晋察冀军区遵照中共中央军委的指示，恢复晋察冀野战军指挥机构，萧克任司令员，罗瑞卿任政治委员，辖第1、第2、第3、第4纵队。7～10月，在国民党军东西夹击张家口的形势下，晋察冀军区部队与晋绥军区部队共同进行了大同集宁战役及张家口保卫战。12月，晋察冀军区经请示中共中央军委同意撤销野战军指挥机构，第1纵队调回晋冀鲁豫军区。冀晋、冀中军区不变，冀察军区与张家口卫戍司令部合编为察哈尔军区，郑维山任司令员，刘杰任政治委员。冀热辽军区改称冀察热辽军区，所属冀东军区不变，热河、热辽军区分别改编为冀热察、冀热辽军区。

1947年4月20日，冀察热辽军区机关及所属部队共8万余人划归东北民主联军建制。4～6月，晋察冀军区部队连续取得了正太、青沧战役的胜利。

1947年6月，根据中央军委的指示，重新组建晋察冀野战军指挥机构，杨得志任司令员，罗瑞卿任第一政治委员，杨成武任第二政治委员，辖第2、第3、第4纵队和炮兵旅。10月，取得清风店战役的胜利。11月，解放了石家庄，使晋察冀与晋冀鲁豫两大战略区连成一片。12月，冀晋军区与察哈尔军区合并组建北岳军区，唐延杰任司令员，赵振声（李葆华）任政治委员。同时，新建第1、第6、第7纵队，分别隶属于北岳军区、晋察冀野战军和冀中军区建制。

1948年3～4月，进行了察南战役。1948年5月9日，中共中央决定，晋察冀军区与晋冀鲁豫军区合并组成华北军区，晋察冀军区番号撤销。

晋察冀军区经过11年的战斗历程，在八年抗日战争中，不断发展自己，打击敌人，发展科学技术，发展经济，发展军工生产，巩固和扩大根据地，进行民族革命战争，共作战6.5万余次，歼灭日伪军33万余人，军区部队伤亡8万余人，先后调往外区33个主力团和25个架子团；在解放战争中，进行了许多重大战役，歼灭国民党军约40万人。先后涌现出“狼牙山五壮士”、战斗英雄邓世军、民兵爆炸英雄李勇等英模人物。

中共中央和毛泽东誉之为“敌后模范的抗日根据地及统一战线的模范区”。

1996年被国务院公布为全国重点文物保护单位。