为了促进全国抗战，中共中央从1937年2月开始，同国民党当局就红军改编问题进行谈判。但直到卢沟桥事变后，日本侵略军进攻上海，威胁南京时，国民党当局才同中共中央达成红军改编的协议。1937年8月22日，国民党军事委员会宣布红军主力部队改编为国民革命军第八路军，并同意设立总指挥部，下辖3个师，每师15万人，师辖2个旅，每旅辖2个团。
中共中央在同国民党当局谈判的同时，即指示红军部队加强军政训练，作好准备，待命改编，开赴抗日前线打击日军。1937年8月25日，中共中央军委发布命令，宣布将中国工农红军第一、第二、第四方面军和西北红军等部改编为国民革命军第八路军，红军前敌总指挥部改为第八路军总指挥部，朱德任总指挥，彭德怀任副总指挥，叶剑英任参谋长；红军总政治部改为八路军政治部，任弼时任政治部主任，邓小平任副主任；辖第一一五师、第一二○师、第一二九师和总部特务团。第一一五师由红军第一方面军第一军团和第十五军团及陕南红军第七十四师等部编成，林彪任师长，聂荣臻任副师长，辖第三四三、第三四四旅以及独立团和3个直属营，全师共155万人。第一二○师由红军第二方面军所属部队和西北红军第二十七、第二十八军，独立第一师、第二师，赤水警卫营和红军总部特务团编成，贺龙任师长，萧克任副师长，辖第三五八、三五九旅以及教导团和5个直属营，全师14万人。第一二九师由红军第四方面军第四、第三十军及西北红军第二十九、第三十军，独立第一至四团和第十五军团骑兵团等部编成，刘伯承任师长，徐向前任副师长，辖第三八五、第三八六旅以及教导团和5个直属营，全师13万人。八路军总部直属队3000余人。全军共计46万人。8月25日，八路军总指挥朱德、副总指挥彭德怀通电全国，宣布正式就职。同年9月11日，国民政府军事委员会按全国统一的战斗序列，宣布八路军改称为第十八集团军，总指挥部改为总司令部，朱德改任总司令，彭德怀改任副总司令。
八路军改称第十八集团军以后，由于八路军名声远扬，因此，在一定的范围内仍沿用八路军番号，人民群众亦习惯称这支部队为八路军。