8月25日，中国工农红军第2方面军和西北红军第27、第28军等部改编为国民革命军第八路军第120师。
师长贺龙，副师长肖克，参谋长周士弟，政训处主任关向应，副主任甘泗淇。
第120师辖第358、第359旅和教导团、骑兵营、工兵营、炮兵营、辎重营、特务营。全师共1.4万人。
第358旅:旅长张宗逊(原为卢冬生，未到职)，副旅长李井泉，参谋长姚喆。
下辖第715团、第716团。第715团(由红军第4师编成):团长王尚荣，副团长顿星云;第716团(由红军第6师和第28军合编成):团长宋时轮，副团长廖汉生。
第359旅:旅长陈伯钧，副旅长王震，参谋长李子奇。
下辖第717团、第718团。第717团(由红6军团编成):团长刘转连，副团长陈宗尧;第718团(由红军第94师编成):团长文年生，副团长贺庆积(后第718团和部分直属营由陈伯钧率领留守陕甘宁边区，归八路军总留守处建制)。
教导团(由红军第96师编成):团长彭绍辉，副团长苏启胜。
10月，中共中央决定恢复政治委员制度和政治部名称，关向应任师政治委员，李井泉和王震分任第358旅和第359旅政治委员。
9月3日，第120师奉命从陕西富平县出发，东渡黄河，开赴山西抗日前线。
9月下旬，第120师师部率第358旅挺进到晋西北地区，第359旅挺进到五台、平山地区，发动群众，开展敌后游击战争，创建抗日根据地。
9月底，第120师以第716团第2营为基础组成雁北支队，在雁门关以北同蒲铁路以西的敌占区开展游击战争，袭击了井坪、平鲁、逼近大同。
在忻口战役中，第120师配合国民党作战，先后取得了雁门关、王董堡等战斗的胜利。
1938年1月，第120师进行整编，将由地方游击队发展起来的dú • lì 团，分别编为第358旅第714团和第359旅第718团、第719团。全师壮大到2.5万余人。
2月下旬，第120师主力在游击队和晋绥骑兵军及人民群众的配合下，经40天作战，收复了苛岚、五寨等7座县城，歼灭日伪1500余人，粉碎了日伪军1万余人对晋西北抗日根据地的首次围攻。
5月，第120师雁北支队与晋察冀军区的邓华支队合编为八路军第4纵队，挺进冀东地区。
同时，第359旅挺进恒山地区开展抗日斗争。
8月，第715团等部编成大青山支队，大青山支队在塞外与当地蒙汉人民游击队协同，开辟了大青山抗日游击根据地。
9月至11月间，日军5万余人对晋察冀边区进行多路围攻。第359旅参加反围攻作战，取得了邵家庄等战斗的胜利。
第120师的其他部队为配合反围攻作战，积极向同蒲铁路北段和平绥铁路西段出击，取得了滑石片等战斗的胜利。
12月，第120师主力奉命由贺龙、关向应率领挺进冀中。次年1月，于河北省河间县与冀中军区领导机关会合。
此后成立了冀中总指挥部，贺龙任总指挥，吕正操任副总指挥，关向应任政治委员，统一指挥第120师和八路军第3纵队的作战行动。
尔后，第120师与冀中军民密切协同，粉碎了日军的连续围攻，取得了黑马、张庄战斗的胜利。
4月，第120师在齐会战斗中歼灭日军约700余人。
5月，第359旅进行了上下细胺涧战斗，歼灭日军500余人。
在此前后，第715团与冀中军区dú • lì 第4支队合编为师dú • lì 第1旅;第716团与冀中军区dú • lì 第5支队合编为师dú • lì 第2旅(后改称第358旅)。并调张宗逊、张平化到冀中，组成纵队指挥部，统一指挥dú • lì 第1、第2旅。
同时将留晋西北地区的部队扩编为第358旅，彭绍辉任旅长，亦称彭358旅(后改称dú • lì 第2旅)。
8月，第359旅由恒山返回陕甘宁边区，保卫陕甘宁边区，增强黄河河防力量。第120师在冀中的部队转战到晋察冀边区，整训待命。
9月下旬，第120师在晋察冀军区一部的配合下，进行了陈庄战斗，歼灭日伪军1200余人。
年底，山西阎锡山部旧军向山西新军发动武装进攻，制造了“晋西事变”。
1940年2月，第120师主力赶回晋西北地区，配合山西新军打退了旧军的进攻。接着组成了晋西北新军指挥部。随后，该部编入晋西北军区。
6月，第120师在夏季反“扫荡”的战斗中，取得了米峪战斗的胜利，消灭日军500余人。
8月起，第120师参加了百团大战，在作战中歼灭日伪军3500余人。
11月7日，晋西北军区成立，贺龙兼任司令员，关向应兼任政治委员，续范亭任副司令员，周士弟兼任参谋长，甘泗淇任政治部主任。
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