抗日战争爆发后，任八路军第一二九师师长，在山西前线组织所部进行阳明堡夜袭战、七豆村伏击战等战斗。 1938年后，与政委邓小平、副师长徐向前等指挥长生口、神头岭、响堂铺等战斗，沉重地打击了日军。随后又取得晋东南反“九路围攻”和冀南反十一路“扫荡”的胜利，创建了晋冀豫抗日根据地。 1940年组织部队参加百团大战，破袭正(定)太(原)、平汉、自(圭)晋(城)和(大)同蒲(州)铁路交通线。在日伪军实行“囚笼政策”，分割、封锁抗日根据地时，实行主力地方化，并组建大量武装工作队，实行“敌进我进”，向敌占区出击，在被动中争取主动，挫败日伪军的“蚕食”和“扫荡”，巩固并扩大了抗日根据地。1943年 9月赴延安，1945年 6月当选为中共第七届中央委员。
1945年 8月20日，任晋冀鲁豫军区司令员。 9月至11月与政委邓小平指挥上党战役和邯郸战役，沉重打击了向解放区进攻的国民党军，粉碎了国民党军控制晋东南和打通平汉路的企图。 1946年 6月，蒋介石发动全面内战后，与邓小平政委奉主力部队以大踏步进退的运动战，在十个月内连续组织陇海、定陶、巨(野)金(乡)鱼(台)和豫北等九个战役，歼敌十二万余人，解放大片地区，有力地配合了其他战场挫败国民党军的全面进攻。1947年 6月，与邓小平率十二万大军突破黄河河防，指挥鲁西南战役，随即千里跃进大别山，深入国民党统治区腹心地带，依靠发动群众实行土改、打胜仗消灭敌人这两个轮子，站稳脚跟，重建大别山根据地。 10月，蒋介石派白崇禧指挥 33个旅围攻大别山。 12月，刘邓决定以邓小平等率主力在大别山坚持内线斗争，刘伯承率一部北渡淮河，向敌围攻圈外实施再展开，创建新根据地，调动敌人。刘邓大军和进军豫皖苏的陈(毅)粟(裕)野战军和进军豫西的陈(赓)谢(富治)集团互相配合，在江淮河汉之间大量歼灭敌人，经十个月艰苦作战，扩大了中原解放区，迫使国民党军进一步陷入被动。1948年 5月，任中原军区司令员。11月，与邓小平、陈毅、粟裕、谭震林组成总前委，统一指挥华东、中原野战军进行淮海战役。12月15日，与邓小平、陈毅指挥中原解放军将国民党军第十二兵团全歼于宿县以南的双堆集地区。至1949年 1月10日，淮海战役胜利结束，共歼灭国民党军五十五万余人。 1949年 2月，中原野战军改称第二野战军，刘伯承任司令员。 4月，与总前委其他领导人一道指挥渡江战役，并直接指挥第二野战军解放皖南、浙西、赣东北、闽北广大地区。同年冬，指挥第二野战军主力和第四野战军一部，在第一野战军的配合下进军大西南，执行远距离迂回包围的方针，解放四川、云南、贵州、西康四省。12月，任西南军政委员会主席。
1950年冬，他领导组建人民解放军军事学院，任院长兼政委。1954年任中央人民政府人民革命军事委员会副主席、军委训练总监部部长。1955年被授予中华人民共和国元帅军衔。1957年 9月任高等军事学院院长兼政委。他主张“治军先治校”，在院校工作中，坚持以理论和实践相结合的原则指导教学和学术研究，在继承和发扬人民解放军优良传统的基础上学习外军的先进经验。还组织编写教材，积极建设又红又专的教师队伍，为建设诸军兵种合成军队而陆续开设海军、空军和陆军备特种兵系，为建设现代化、正规化革命军队培养了德才兼备的中高级干部。1958年被扣上教条主义的帽子而受到错误的批评。1959年后曾负责中央军委的战略研究工作。他是中共第八届至第十一届中央政治局委员。1966年 1月起任中共中央军委副主席。他还是第二至第五届全国人大常委会副委员长。 1982年，因年高辞去党政军领导职务。1986年10月 7日在北京逝世。
刘伯承饱读古今中外军事著作，结合中国革命战争的实践，钻研马克思主义军事理论，对游击战、运动战、阵地战和司令部工作都有独到的论述。他的军事谋略和指挥艺术是对毛泽东军事思想的重要贡献。他的主要军事著作已收入《刘伯承军事文选》。他还翻译了苏联的许多军事著作。
