1937年7月7日卢沟桥事变爆发，日军大举进攻平津、8月13日淞沪会战爆发，抗日战争由局部抗战转为全民族抗战，国共开始了第二次合作，红军也改编为国民革命军第八路军，这也就是“八路军”这个名字由来，而南方的红军游击队则改编为国民革命军新编第四军，也就是“新四军”。
山东省博物馆馆藏马克沁重机枪。南京国民政府的国民政府军事委员会仅仅给了八路军三个师的编制，一个师下辖两个旅，一个旅下辖两个团，也就是说八路军理论上的兵力有十二个团，一个师的额定兵力为1.5万人，这三个师的番号分别为115师和129师以及120师。一个师1.5万人，三个师就是4.5万人。虽然红军在长征的路上损失了不少人，但是到达陕北之后，当地群众参加红军的热情很高，所以到红军改编为八路军前夕，在陕北的红军总人数实际上比这个额定兵数要多一些。
根据毛泽东在1937年8月25日所发的电文《关于陕北红军改编和驻防的决定》可知一些地方部队也接受了改编：红军第74师被改编为115师的炮兵营和辎重营，主要驻扎在陕西富县和甘泉一带；红军的独立二师被改编为120师的工兵营，在陕西神府驻扎；红军的独立一师以及陕北独立团被改编为120师的特务营，驻扎在靖边堡以及横山堡一带；红军的第二十七军被改编为120师的辎重营以及炮兵营驻防安边、宁条梁以南地区；红军的第三十军被改编为129师的炮兵营；红军陕甘宁第三团的第二、第三连及红军关中警卫营合编为129师辎重营；红军陕甘宁第一、第二、第四团合编为129师工兵营；红军的第二十九军改编为八路军129师特务营。
军事博物馆收藏的德国造MP18冲锋枪（MP18冲锋枪为一战德军所惯用，20世纪20年代该枪进入中国，为当时参与军阀混战的各方势力所青睐，到北伐战争以及国内土地革命战争和抗日战争时期，国共士兵均有使用，这种枪在当时的中国有个外号叫作“花机关”）
总结一下，从这里的改编我们可以看到八路军在抗战初期的一些情况：八路军129师有一个特务营和一个工兵营还有一个辎重营和一个炮兵营；八路军120师有一个工兵营以及一个特务营一个辎重营还有一个炮兵营，115师有一个炮兵营和一个辎重营，这些部队实际上在后面大多数都成为了陕甘宁边区的留守部队。
军事博物馆收藏的机枪。
到1937年8月25日，中共中央革命军事委员会正式发布有关红军改组为八路军的命令，八路军麾下共计三个师，这三个师就是上文所说的115师和120师以及129师。115师由原先的红一方面军改编而成，师长为林彪，副师长为聂荣臻，政训处主任为罗荣桓，该师下辖两个旅，这两个旅分别是由陈光担任旅长的第343旅以及由徐海东担任旅长的第344旅。
山东地区八路军所使用的马克沁重机枪。（山东省博物馆馆藏）
八路军第120师以红二方面军改编而成，师长为贺龙，副师长为萧克，政训处主任为关向应，该师下辖两个旅，一个是358旅，旅长张宗逊，另外一个是359旅，旅长陈伯钧；八路军第129师以原先的红四方面军改编而成，师长为刘伯承，副师长为徐向前，政训处主任为张浩，该师下辖两个旅，一个是385旅，旅长王宏坤，另外一个就是386旅，旅长陈赓。原先的红军前敌总指挥部被改编为八路军总指挥部，八路军总指挥为朱德，彭德怀为副总指挥，叶剑英为参谋长，左权为副参谋长，任弼时为政治部主任，邓小平为政治部副主任。
同月，中共军委中央开始发布命令设置留守部队，留守部队包括最先组建的115师炮兵营辎重营以及120师的特务营炮兵营辎重营工兵营还有359旅的718团，除此之外还有第129师的特务营辎重营炮兵营工兵营以及385旅的770团，后来这些部队被统一整编为陕甘宁警备第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八团，其中第八团就是原359旅的718团，而385旅的770团的番号并未改变，留守兵力约9000人。
八路军前往抗日前线的这三个师的总兵力为4万余人。如上文所说，这三个师分别改变自红一方面军，红二方面军以及红四方面军。红一方面军在1935年的11月份到达陕北的吴起镇，其人员总数约在1万余人，一年后扩充至3万余人，其中有1.55万人成为后来八路军115师的主力；红二方面军在1936年的10月22日到达甘肃会宁县城东北的将台堡，此时有兵力1.1万人；红四方面军的总人数到1936年为1.2万人。所以综合来说抗战初期，八路军的三个师中，第115师的兵力更强一些，抗日战争初期的大捷：平型关大捷就是由八路军115师获得，在平型关大捷中，中国军队以自身伤亡400人到600人的代价歼灭日军800~1000人，除此之外的战果还有摩托车3辆以及汽车60辆，八路军在战斗中缴获山炮一门，炮弹200发。