1945年1月，参加道清战役。3月14日，八路军总部决定，以太行军区第6军分区一部，组建豫西抗日游击第6支队。4月4日，中央军委批准，以抗大太行大队（1943年冬成立）和军区参谋训练队为基础，恢复抗大第6分校，归太行军区领导。6月，发起安阳战役，歼灭敌伪6400余人。8月，参加战略大反攻。8月13日，太行军区决定，组建第3、第4支队。17日，又以第1、第4、第5、第6、第7军分区部分部队为基础，分别组建第1支队（又称韦（杰）支队）、第2支队（又称石（志本）支队）和第5支队（又称秦（基伟）向（守志）支队）。同时，组建第6支队。20日，中共中央决定，成立晋冀鲁豫军区。据此，太行军区于9月2日划归晋冀鲁豫军区建制。8月底，组建太行纵队，辖第4、第5、第6支队（后编为晋冀鲁豫军区第3纵队）。

解放战争时期的太行军区是抗日战争时期太行军区的延续。1940年6月，太行军区成立。1945年8月，晋冀鲁豫军区成立后，太行军区归晋冀鲁豫军区领导，秦基伟任司令员，李雪峰任政治委员，黄新友、赵辉楼任副司令员，黄镇任副政治委员，何正文任参谋长，袁子钦任政治部主任。下辖：第1军分区，胡震任司令员，冷楚任政治委员；第2军分区，鲁瑞林任司令员，刘建勋任政治委员；第3军分区，韩卫民任司令员，于一川任政治委员；第4军分区，黄新友任司令员，刘毅任政治委员；第5军分区，崔建功任司令员，谷景生任政治委员；第6军分区，陶国靖任司令员，陶鲁笳任政治委员。10月至11月，该军区先后参加了上党战役和邯郸战役。

1946年1月，太行军区根据晋冀鲁豫军区1945年12月13日的命令，将第1、第2、第3、第4、第5、第6军分区依次改称第12、第13、第14、第15、第16、第17军分区。56月，太行军区根据晋冀鲁豫军区的命令，将6个军分区缩编为4个军分区，其中，第12军分区改称第1军分区；第13、第14军分区合并称第2军分区；第16、第17军分区合并称第3军分区；第15军分区改称第4军分区。6月，晋冀鲁豫军区决定，第4纵队第12旅划归太行军区建制，7月，第12旅改称军区独立旅。8月，发起正太线破击作战。11月23日，晋冀鲁豫军区决定，太行军区独立旅划归太岳军区建制，并改称第23旅。12月，太行军区以第1军分区第34团与第2军分区第38、第39团组成独立第1旅，崔建功任旅长，王大仁任政治委员；以第4军分区第43、第45团与第5军分区第45团组成独立第2旅，余洪远任政治委员。此时，太行军区下辖独立第1、第2、旅及第1、第2、第3、第4军分区。

1947年3月，太行军区将第3军分区改称第5军分区。7月，又将第1军分区改为人武部。7月2日，晋冀鲁豫军区决定，以太行军区前方指挥所和独立第1、第2旅及3个军分区基干团为基础，组建晋冀鲁豫野战军第9纵队。9月，太行军区以第2军分区第41团、第4军分区第44团、第5军分区第5团组成太行军区独立旅，安中原任旅长。12月，太行军区以第1、第2军分区3个团，组建太行军区独立第2旅；同时，将太行军区独立旅改称独立第1旅。是年，该军区先后参加了豫北攻势和豫北1947年冬季攻势及文氏战斗。

1948年2月8日，晋冀鲁豫军区命令，将太行军区独立第1、第2旅划归晋冀鲁豫野战军第13纵队建制。5月，华北军区成立后，太行军区归华北军区建制（为二级军区）。鲁瑞林任司令员，赖若愚任政治委员，赵辉楼任副司令员，冷楚任政治委员，王远芬任参谋长，周光坦任政治部主任，下辖：第1军分区（人武部）周璧任政治委员；第2军分区，邹善芳任司令员，池必卿任政治委员；第4军分区，韩卫民任司令员，贾久民任政治委员；第5军分区，陶国靖任司令员，杨珏任政治委员。该军区调归华北军区建制，参加了豫北1948年保卫麦收作战。5月31日，中央军委指示，将太行军区第2军分区划归晋中军区建制，并改称第3军分区。12月，华北军区命令，将中国人民解放军太行军区调整为三级军区，并以太行军区第4军分区第47、第46团和武修第4个独立营为基础，组建华北军区独立第7旅，归太行军区建制。同时，组建俘（补）训第7旅，归华北军区补训兵团建制。

1949年4月，根据华北军区统一规定的番号，重建第1（邢台）、第3（长治）军分区，并将第2、第4、第5军分区分别改为左权、焦作、漳卫军分区。8月1日，中央军委决定，撤销太行军区，所辖邢台、武安军分区划归河北军区建制；长治军分区划归山西军区建制；沁河、漳卫军分区划归平原军区建制；独立第7旅缩编为警备第2、第3团，划归平原军区建制。