為了促進全國抗戰，中共中央從1937年2月開始，同國民黨當局就紅軍改編問題進行談判。但直到盧溝橋事變後，日本侵略軍進攻上海，威脅南京時，國民黨當局才同中共中央達成紅軍改編的協議。1937年8月22日，國民黨軍事委員會宣佈紅軍主力部隊改編為國民革命軍第八路軍，並同意設立總指揮部，下轄3個師，每師15萬人，師轄2個旅，每旅轄2個團。
中共中央在同國民黨當局談判的同時，即指示紅軍部隊加強軍政訓練，作好準備，待命改編，開赴抗日前線打擊日軍。1937年8月25日，中共中央軍委發佈命令，宣佈將中國工農紅軍第一、第二、第四方面軍和西北紅軍等部改編為國民革命軍第八路軍，紅軍前敵總指揮部改為第八路軍總指揮部，朱德任總指揮，彭德懷任副總指揮，葉劍英任參謀長；紅軍總政治部改為八路軍政治部，任弼時任政治部主任，鄧小平任副主任；轄第一一五師、第一二○師、第一二九師和總部特務團。第一一五師由紅軍第一方面軍第一軍團和第十五軍團及陜南紅軍第七十四師等部編成，林彪任師長，聶榮臻任副師長，轄第三四三、第三四四旅以及獨立團和3個直屬營，全師共155萬人。第一二○師由紅軍第二方面軍所屬部隊和西北紅軍第二十七、第二十八軍，獨立第一師、第二師，赤水警衛營和紅軍總部特務團編成，賀龍任師長，蕭克任副師長，轄第三五八、三五九旅以及教導團和5個直屬營，全師14萬人。第一二九師由紅軍第四方面軍第四、第三十軍及西北紅軍第二十九、第三十軍，獨立第一至四團和第十五軍團騎兵團等部編成，劉伯承任師長，徐向前任副師長，轄第三八五、第三八六旅以及教導團和5個直屬營，全師13萬人。八路軍總部直屬隊3000余人。全軍共計46萬人。8月25日，八路軍總指揮朱德、副總指揮彭德懷通電全國，宣佈正式就職。同年9月11日，國民政府軍事委員會按全國統一的戰鬥序列，宣佈八路軍改稱為第十八集團軍，總指揮部改為總司令部，朱德改任總司令，彭德懷改任副總司令。
八路軍改稱第十八集團軍以後，由於八路軍名聲遠揚，因此，在一定的範圍內仍沿用八路軍番號，人民群眾亦習慣稱這支部隊為八路軍。