1937年8月25日，中共中央軍事委員會根據國共兩黨達成的協議，發布紅軍改編命令，將陝甘寧革命根據地的中國工農紅軍改編為國民革命軍第八路軍（9月12日，按戰時序列，又稱第十八集團軍），朱德任總指揮，彭德懷任副總指揮，葉劍英任參謀長，左權任副參謀長，任弼時為政治部主任，鄧小平為副主任，下轄一一五師、一二零師、一二九師。
第一一五師由原紅一方面軍為主編成，師長林彪，副師長聶榮臻，政訓處主任（10月改稱政治委員，下同）羅榮桓，副主任肖華。下轄第三四三旅，旅長陳光；第三四四旅，旅長徐海東。
第一二零師由原紅二方面軍為主編成，師長賀龍，副師長蕭克，政訓處主任關嚮應，副主任甘泗淇。下轄第三五八旅，旅長張宗遜；第三五九旅，旅長陳伯鈞。
第一二九師以原紅四方面軍為主編成，師長劉伯承，副師長徐向前，政訓處主任張浩，副主任宋任窮。下轄第三八五旅，旅長王宏坤；第三八六旅，旅長陳賡。
全軍編製共45萬餘人，全是共產黨的火種，真正做到了不讓蔣介石的人踏入營門一步。不僅如此，為保證中國共產黨對八路軍的領導，讓八路軍堅決執行黨中央和軍委的命令，為黨的路線及政策而鬥爭，8月29日，中共中央決定成立軍事委員會華北分會（簡稱「華北軍分會」），作為八路軍開赴前線後，共產黨在華北敵後的最後領導機構。朱德為書記，彭德懷為副書記。
這一著非常高明。它保持了黨指揮槍的傳統，避免了共產黨和人民武裝在聯合抗日旗幟下被國民黨堂而皇之地溶化掉的危險，增強了抗戰時期和抗戰勝利後共產黨鉗制蔣介石走向反動的資本，從而保證了共產黨在鬥爭中立於不敗之地。
紅軍改編後必須要做的一件事是，脫下他們熱愛的紅軍帽，換上國民革命軍的黃軍裝，戴上青天白日帽。可是，要純樸的紅軍戰士與搏殺了10年、結下了血海深仇的國民黨軍捐棄前嫌，攜手高唱團結合作曲，他們在思想上、感情上一下子轉不過彎來，一時議論紛紛。
有的說：「我參軍就是為了打國民黨反動派，打來打去，自己竟成了國民黨，有這樣革命的嗎？」
有的更激憤：「蔣介石殺了我們多少共產黨員和紅軍戰士，逼著我們爬雪山，過草地，連草鞋上的牛鼻子也吃了，這仇怎能忘！我一看到這黃狗皮、青天白日帽，心裡就難受。如果一定要換，我寧可回家當農民！」
為此，各師首長以各種形式做戰士們的思想工作，進行形勢和政勢教育。
9月6日，八路軍第一二九師在陝西三原石橋鎮舉行抗日誓師大會。劉伯承冒著大雨給戰士們講「換帽子問題」。
他說：「共產黨人要把祖國和人民的利益看成最高利益。現在大敵當前，國家和民族危在旦夕，我們要把鬥爭矛頭指向日本鬼子。換帽子算得了什麼，那只是形式。我們人民軍隊的本質不會變，紅軍的優良傳統不會變，我們解放全中國的意志也決不會動搖！」
他拿出一頂綴著青天白日帽徽的黃色軍帽，用手指著說：「這帽徽是白的，可我們的心永遠是紅的！同志們，為了救中國，暫時和紅軍帽告別吧！」
戰士們都靜靜地聽著，望著，心裡亮堂起來。
「換帽子！」隨著師長一聲令下，全體官兵摘下了有紅星帽徽的紅軍帽，戴上了青天白日帽。
「打倒日本帝國主義！發揚紅軍的光榮傳統！」一片慷慨激昂的口號聲在黃土高原上空回蕩。一二九師鬥志昂揚，冒雨開赴山西抗日前線。
在主力紅軍順利完成改編後，根據國共談判達成的協議，原活動在湖南、江西、福建、廣東、浙江、湖北、河南、安徽8省邊界地區的紅軍和游擊隊，改編為國民革命軍陸軍新編第四軍。12月下旬，新四軍軍部在漢口成立。軍長葉挺，副軍長項英，參謀長張雲逸，副參謀長周子昆，政治部主任袁國平，副主任鄧子恢。全軍編為4個支隊，共103萬人。4個支隊的司令員分別為：陳毅、張鼎丞、張雲逸、高敬亭。
中國工農紅軍的改編，表現了中國共產黨實行國共合作、堅決抗戰的誠意。八路軍和新四軍在共產黨領導下與國民黨軍隊合作，共同抗日，是第二次國共合作的主要內容。國共兩黨軍隊的攜手合作，有利於全面抗戰的開展。
8月25日朱德、彭德懷發表就職通電，向全國人民宣誓：「願竭至誠，擁護蔣委員長，追隨友軍之後，效命疆場，誓驅日寇，收復失地，為中國之獨立自由幸福而奮鬥到底！」
在隨後開展的抗日民族戰爭中，八路軍、新四軍將士以行動實踐了自己的諾言。