1943年6月,第358旅除第7团留原地坚持斗争外,主力奉命由晋西北开赴河西参加保卫陕甘宁边区的斗争,归晋绥联防军指挥,不再兼第3军分区。7月10日,八路军总部命令,将八路军第3纵队兼冀中军区所辖第17、第18、第22、第26、第27、第29、第32团调归第120师兼晋绥军区建制。同年8、9月间,八路军第3纵队陆续到达晋绥后,中共中央军委任命吕正操为晋绥军区司令员,林枫为政治委员,周士第任副司令员兼参谋长,张平化任政治部主任。10月,又将冀中警备旅调入晋绥军区,其旅部与第8军分区合并,该旅第1、第2团改编为第1、第2支队;第3纵队第18、第27、第29团合编为第27团,归军区直接指挥;第3纵队第32团归独立第1旅指挥。此时,晋绥军区辖:第358旅,张宗逊任旅长,李井泉任政治委员;第359旅兼延属警备区,王震任旅长,张英邦任政治委员;独立第1旅兼绥德警备区,高士一任旅长,习仲勋任政治委员;独立第2旅兼第2军分区,许光达任旅长兼司令员,王德任政治委员;第6军分区,雷任民任司令员,刘文珍任政治委员;第8军分区,罗贵波任司令员兼政治委员;塞北军分区,姚喆任司令员,高克林任政治委员;直属军分区,陈漫远任司令员;河防司令部,杨嘉瑞任司令员,武开章任政治委员。10月24日,中央军委决定,冀中军区第3纵队警备旅机关及第358旅留晋绥的部队重新组成第3军分区,孙志远任司令员,白坚任政治委员。是年,晋绥军区认真贯彻中共中央“把敌人挤出去”的指示,发动群众围困敌人,迫敌撤退,共挤走日伪据点58处,收复村庄1000余个,粉碎敌大小“扫荡”13次。1944年8月,晋绥军区抓住日军从华北战场抽走兵力的有利时机,向敌发动秋季攻势,歼日伪军2000余人,攻克据点48个,收复土地770多平方公里。11月18日,组建晋绥军区教导团。
1945年1月29日,晋绥军区根据中央军委命令,将直属军分区改称第1军分区。2月,陕甘宁晋绥联防军骑兵旅调归晋绥军区建制,并成立晋绥军区第4、第7军分区。2月17日,晋绥军区向敌发动春季攻势,歼灭日伪军2400余人,收复据点54处,扩大根据地面积3840余平方公里。6月,向敌发起夏季攻势,歼灭阎锡山部7个连,傅作义部两个团。7月,中央军委决定,将塞北军分区扩编为绥蒙军区(8月,以晋绥军区第1军分区组成新的塞北军分区。9月,恢复第5军分区番号)。8月11日,中央军委命令,八路军第120师兼晋绥军区组建晋绥野战军,辖第358旅和独立第1、第2旅。21日,将晋绥军区和晋绥野战军从陕甘宁晋绥联防军建制划出,由中央军委直接领导。解放战争时期,该军区的沿革见中国人民解放军晋绥军区。
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