1938年1月，刘亚楼任抗日军政大学（红大改称）教育长。1939年初赴 [[ 苏联 ]] 入伏龙芝军事学院学习。苏德战争爆发后，加入苏军参加了苏联卫国战争。1945年8月，随出兵中国东北的苏联红军回国。1946年初任东北民主联军参谋长， 为组建适应战争需要的高效率的司令部作出了重要贡献。8月，兼任东北航空学校校长，为后来的人民空军培养了第一批骨干。

东北内战爆发后，刘亚楼先后协助总部首长部署和指挥了三下江南、 四保临江，1947年的夏季攻势、秋季攻势、冬季攻势作战，歼国民党军22万余人， 迫使东北国民党军龟缩于 [[ 长春 ]] 、 [[ 沈阳 ]] 、 [[ 锦州 ]] 等几座孤城之中。1948年1月，刘亚楼任东北野战军和东北军区第一参谋长，为使司令部工作适应“大兵团、正规化、攻坚战”转变需要，对从思想、组织、作风多方面加强司令部机关建设， 付出了大量心血并做出了贡献。6月，经 [[ 中共中央 ]] 批准，任中共中央东北局委员，同时被委任为军委会东北分会委员。1948年9月，毛泽东发出了《关于辽沈战役的作战方针》，10月初，当林彪私自以林、罗、刘名义向中央军委发出加急电报，提出放弃攻打锦州而北返打长春时， 与政治委员罗荣桓一同进行了耐心的劝说，并发了一封重申攻打锦州的电报，保证了锦州战役及整个辽沈战役的顺利进行。辽沈战役期间，积极协助总部首长，指挥部队连续作战52天， 全歼东北国民党军47万余人，解放了东北全境。

辽沈战役后，刘亚楼遵照中央军委关于“东野尽速入关，突然包围津、 唐、塘等处之敌”的命令，立即筹划东北野战军分路迅速入关的各项工作， 为保证将国民党 [[ 傅作义 ]] 集团围歼在华北做出了贡献。