红军改编，是国共两党谈判的焦点问题之一。西安事变和平解决后，国共两党围绕着红军改编等问题，先后在西安、杭州、庐山和南京，进行了多次谈判，但由于蒋介石国民党企图通过谈判来削弱、限制，甚至消灭共产党及其领导下的人民军队，因而使红军改编问题进展缓慢。
中共中央从全民族的利益和抗日大局出发，多次作出重大让步，主动提出“红军改名为国民革命军，直接受南京中央政府与军事委员会之指导”（《中共中央给中国国民党三中全会电》，《六大以来》（上），第798页，人民出版社1980年版。）等。然而，蒋介石国民党坚持将红军人数限定在3万人，并且不能设总指挥部，由他们派人担任师参谋长和政训处主任，甚至荒谬地要求毛泽东和朱德出国留洋。
对此，中共谈判代表在坚持原则的前提下，适当作出让步，将红军改编人数先是由12个师降至4个师六七万人，“即以方面军编为师，军编为旅，师编为团”（《毛泽东军事文集》第2卷，第5页，军事科学出版社、中央文献出版社1993年版。），继而降至3个师4万余人，遂使双方在改编为3个师和人数问题上基本达成一致意见。但中共坚持红军在3个师以上设立总指挥部，国民党不能派人到红军中任职，并增加红军的防地等，以维护对红军的领导权。对此问题，蒋介石迟迟不肯让步。
八一三事变后，全国抗战形势急需红军出师抗战，红军的改编问题始获解决。1937年8月18日，中共中央提出了关于同国民党谈判的十项条件。其中，关于红军改编的内容是：须使红军放在合法地位，早日开赴前线杀敌；同意设立总指挥部；发给平等待遇之经费；发给平等待遇之补充器物，一部分在陕西省三原地区补充，另一部分在山西省太原补充；红军充任战略游击支队，在总的战略方针下，执行独立自主的游击战争，发挥红军之特长；依据游击战争原则，出兵与使用兵力；不分割使用，集中由陕西省韩城渡河前进；红军第一批出动地区，在平汉铁路线以西，平绥（远，旧省名，1954年撤销，辖今内蒙古自治区西部地区）铁路线以南地区。同日，蒋介石国民政府基本上同意了中共中央提出的红军改编原则等问题。8月22日，国民政府军事委员会正式发布命令，宣布红军主力改编为国民革命军第八路军。至此，国共两党终于达成了红军主力改编问题的协议。
当时，红一、红二、红四方面军等部的兵力和部署情况是：
红一方面军，总指挥部兼前敌总指挥部，总指挥彭德怀，政治委员任弼时，参谋长左权，任弼时兼政治部主任，辖第1、第15军团等，总部驻陕西省云阳地区。
第1军团，代理军团长陈光，政治委员聂荣臻，副军团长陈光，参谋长孙毅，政治部主任罗荣桓，辖3个师和1个骑兵团：第1师，师长兼政治委员杨成武；第2师，师长杨得志，政治委员邓华；第4师，师长李天佑，政治委员杨勇；军团直辖骑兵第2团及随营学校。
全军团共10个团，1.1万人，有6000枝枪，部队驻甘肃省正宁、宁县和陕西省旬邑地区。
第15军团，军团长徐海东，政治委员程子华，政治部主任王首道，辖3个师和两个营：第73师，师长张绍东，政治委员陈漫远；第75师，师长韦杰，政治委员刘震；第78师，师长韩先楚，政治委员崔田民；军团直辖骑兵第3团及教导营、特务营。
全军团共8个团另2个营，8000人，有4800枝枪，部队驻陕西省未城驿、百关、孟坝地区。
红一方面军共有2.4万人，有1.2万枝枪。
红二方面军，总指挥贺龙，政治委员关向应，参谋长周士第，政治部主任朱瑞，辖第2、第6军团等。
第2军团，贺龙兼军团长，关向应兼政治委员，参谋长李达，政治部主任朱瑞。辖两个师：第4师，师长卢冬生，政治委员李井泉；第6师，师长贺炳炎，政治委员廖汉生；共5个团，约4500人，有2800枝枪。
第6军团，军团长陈伯钧，政治委员王震，参谋长彭绍辉，政治部主任张子意，辖7个团，共5500人，有5500枝枪。
方面军直属队有1500人，有600枝枪。
红二方面军共1.15万人，有8900枝枪。部队驻陕西省耀县地区。
红四方面军，司令员刘伯承，政治委员张浩，参谋长李达，政治部主任刘晓，辖第4、第31军等。
第4军，军长陈再道，政治委员王宏坤，参谋长耿飚，政治部主任刘志坚，辖两个师和1个团：第10师，师长陈锡联，政治委员叶道志；第12师，师长张贤约，政治委员胡奇才；教导团；全军共7个团，6000人，有3600枝枪。
第31军，军长萧克，政治委员郭述申，参谋长李聚奎，政治部主任王新亭，辖两个师和1个团：第91师，师长徐深吉，代政治委员黄振棠；第93师，师长王近山，政治委员叶成焕；特务团；全军共7个团，8000人，有4800枝枪。
方面军直属队有800人，有350枝枪。
红四方面军共有1.48万人，8750枝枪。部队驻陕甘边地区。
另驻陕甘宁地区的红军有4个军、3个师和1个骑兵团：
第27军，军长贺晋年，政治委员王平，全军共1101人，有628枝枪。
第28军，军长宋时轮，政治委员宋任穷，共3个团，有1500人，有900枝枪。
第29军，军长李仲英，政治委员甘渭汉，全军共928人，有491枝枪。
第30军，军长阎红彦，政治委员杜平，全军共822人。
独立第1师，师长白志文，政治委员李宗贵，全师共814人，有532枝枪。
独立第2师，师长王兆相，政治委员张秀山，全师共1400人，有350枝枪。
第74师，师长陈先瑞，政治委员张明先，全师共2000人，有900枝枪。
骑兵第1团，共217人，有260枝枪。
陕北、陕甘宁、关中和神（木）府（谷）军分区总队等，共5322人，有3316枝枪。
中国人民抗日军政大学和地方部队等，共5000人，有1500枝枪。
前敌总指挥部特务团等直属队5000人，有1200枝枪。
在陕甘宁边区的红军共7.4万余人，有40584枝枪。
1937年8月15日，陕甘宁边区保安司令部成立，司令员高岗，副司令员周兴，参谋长谭希林，政治部主任吕振球，辖4个军分区：关中军分区，司令员张仲良，政治委员习仲勋；庆（阳）环（县）军分区，司令员王世泰，政治委员马文瑞；三边（定边、安边、靖边）军分区，司令员白寿康，政治委员刘英勇；神府军分区，司令员黄罗斌；另辖10个基干保安大队、23个县保安大队、教导营、警卫连和2万余名基干自卫军。
根据国共两党达成的协议，中共中央军委于8月25日宣布命令：红军主力改名为国民革命军第八路军（简称八路军），将红军前敌总指挥部改为第八路军总指挥部，总指挥朱德，副总指挥彭德怀，参谋长叶剑英，副参谋长左权（1938年12月兼八路军前方总部参谋长）；红军总政治部改为第八路军政治部，主任任弼时，副主任邓小平；并逐步配齐了总部机关领导人员。秘书长舒同，参谋处，处长彭雪枫；军需处，处长叶季壮；卫生处（军医处），处长姜齐贤；兵站部部长杨立三。全军辖3个师和1个后方留守处：
第115师由红一方面军第1、第15军团和陕南第74师在陕西省三原县（今一部属泾阳县）改编，师长林彪，副师长聂荣臻，参谋长周昆，政训处主任罗荣桓，副主任萧华，作战科科长王秉璋，侦察科科长苏静，宣传部部长萧向荣，保卫（锄奸）部长朱涤新，民运部部长潘振武，供给部部长邝任农，卫生部部长叶青山，辖第343、第344旅等部：
第343旅由第1军团第2、第4师在陕西省三原县云阳镇（今属泾阳县）地区改编，旅长陈光，副旅长周建屏，参谋长陈士榘，辖两个团：第685团由第2师改编，团长杨得志，副团长陈正湘；第686团由第4师改编，团长李天佑，副团长杨勇；全旅6500人。
第344旅由第15军团在陕西省三原县桥底镇地区改编，旅长徐海东，参谋长陈漫远（一说卢绍武），辖两个团：第687团由第73师全部和第78师一部改编，团长张绍东，副团长韩振纪；第688团由第75师全部和第78师另一部改编，团长陈锦秀，副团长田守尧；全旅5000余人。
师直辖部队：独立团由第1军团第1师改编，团长杨成武；炮兵营、辎重营、骑兵营、工兵营和教导队等，由第74师、第1军团骑兵第2团、随营学校和第15军团教导营、特务营等部改编。
第115师共1.55万人。
第120师由红二方面军第2、第6军团和陕北第27、第28军及独立第1、第2师等部在陕西省富平县庄里镇地区改编，师长贺龙，副师长萧克，参谋长周士第，政训处主任关向应，副主任甘泗淇，军法处处长黄新远，宣传部部长张平化，敌工部部长吴西，供给处处长陈希云，军医处处长刘运生，辖第358、第359旅等部：
第358旅由第2军团和第28军改编，旅长卢冬生（未到职，后张宗逊），副旅长李井泉，参谋长姚，政训处主任张平化，辖两个团：第715团由第2军团第4师改编，团长王尚荣，副团长顿星云；第716团由第2军团第6师和第28军改编，团长宋时轮，副团长廖汉生；全旅共5000余人。
第359旅由第6军团和红军总部特务团一部改编，旅长陈伯钧，副旅长王震，参谋长刘子奇，政训处主任袁任远，辖两个团：第717团由第6军团一部改编，团长刘转连，副团长陈宗尧；第718团由第6军团另一部改编，团长文年生，副团长贺庆积；全旅共5000余人。
师直辖部队：教导团（团长彭绍辉）、炮兵营、辎重营、特务营、工兵营和骑兵营，由第27军，独立第1、第2师等部改编。
第120师共1.4万人。
第129师由红四方面军第4、第31军，红一方面军一部和第29、第30军等部在陕西省三原县石桥镇地区改编，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，参谋处处长李达，供给部部长徐林、政治委员赖勤，卫生部部长钱信忠、政治委员周光坦，辖第385、第386旅等部：
第385旅由第4军改编，旅长王宏坤，副旅长王维舟，参谋长耿飚，政训处主任苏精诚，辖两个团：第769团由第10师改编，团长陈锡联，副团长汪乃贵；第770团由第12师改编，团长张才千，副团长胡奇才；全旅共5000余人。
第386旅由第31军改编，旅长陈赓，副旅长陈再道，参谋长李聚奎，政训处主任王新亭，辖两个团：第771团由第91师改编，团长徐深吉，副团长韩东山；第772团由第93师改编，团长叶成焕，副团长王近山；全旅5700余人。
师直属部队：教导团（团长张贤约）、炮兵营、特务营、工兵营、辎重营和骑兵营，由第29、第30军，第15军团骑兵第3团等部改编。
第129师共1.3万人。
八路军总部及直属队，共3000余人。其中，特务团团长韦杰，政治委员李治明。
八路军共近4.6万人。
为确保中共中央和中央军委所在地的安全，中共中央军委于1937年8月25日决定在延安成立八路军后方留守处，主任萧劲光，参谋长曹里怀，政治部主任莫文骅，下设东、西两个地区后方留守处：
东地区后方留守处，主任陈伯钧，副主任陈先瑞，指挥第115师炮兵营、辎重营，第120师第718团及特务营、炮兵营、工兵营、辎重营，辖区为府谷、神木、靖边、安定、志丹、肤施、甘泉、富县、洛川等县；
西地区后方留守处，主任王宏坤，副主任王维舟，指挥第129师第385旅旅部、第770团、特务营、炮兵营、工兵营和辎重营等，辖区为定边、盐池、环县、庆阳、合水、正宁、旬邑、淳化等县。
八路军后方留守处，统一指挥留守部队9000余人，担负着主力开赴抗日前线后，保卫陕甘宁边区，协同地方保安部队肃清土匪，发动与组织民众参加抗战及扩大与训练新战士、补充主力部队的重要任务。
8月25日，八路军总指挥朱德、副总指挥彭德怀，向南京国民党中央、国民政府、军事委员会和各行营主任、各省主席等，发出《通电》，“宣布就职”。《通电》指出：“日寇进攻，民族危急，敝军请缨杀敌，义无反顾！兹幸国共两党重趋团结，坚决抗战，众志成城。”严正表示：“部队现已改编完毕，东进杀敌。德等愿竭至诚，……追随全国友军之后，效命疆场，誓驱日寇，收复失地，为中国之独立自由幸福而奋斗到底。”（《中共中央文件选集》第11册，第333、334页，中共中央党校出版社1991年版。）
9月11日，国民政府军事委员会按新的全国陆海空军统一序列，将国民革命军第八路军番号改称国民革命军第18集团军，直接隶属军委会，总指挥部改称总司令部，朱德、彭德怀由正副总指挥改称正副总司令，但八路军的称呼仍被广大指战员和人民群众习惯地沿用下来。1938年1月，八路军改隶第二战区。
八路军总部由陕西省泾阳县云阳镇，先后移驻山西省太原市，五台县南茹村，和顺县马坊、石拐镇，洪洞县高公、马牧，沁县小东岭，襄垣县的苏村，屯留县故县镇，潞城县北村，武乡县砖壁村、王家峪和辽县（今左权）武军寺、麻田地区。1940年4月、1943年9月，朱德、彭德怀先后由总部回到延安。
