1936年10月，吕正操被调到西安，回到了张学良身边。张学良和杨虎城发动西安事变时，吕正操担任张公馆的内勤工作，和应邀来西安共商大计的中/共代表罗瑞卿等常有接触，对于中国共/产/當有了更进一步的认识。周恩来率中/共代表团斡旋期间，吕正操住在中/共代表团楼下，负责接待和警卫。事变和平解决后，张学良在陪同蒋介石回到南京后，即被扣押。至此，东北军已群龙无首，名存实亡。
1937年3月，蒋介石强令东北军改编，吕正操被任命为国民革.命军53军130师691团团长。1937年5月，吕正操被中/共中央北方局秘密接纳为中国共/产/當當员。
1937年“七七事变”，日本帝国主义发动全面侵华战争。10月10日下午，吕正操率691团在进抵束鹿县半壁店，与日军骑兵队遭遇，发生激战，击毙日军少尉队长以下10名并缴获不少军用品和战马，乘着夜色进驻梅花镇四德村。深夜，日军进攻梅花镇，骑兵队将691团第一营包围。值此危急时刻，53军军长万福麟、师长周福成、旅长丛兆麟分别打电报让吕正操丢掉一营，随军而撤。吕正操撕碎电报，翻身上马，带队向敌阵冲击，接应一营突出重围。望着国民當大军撤退的方向，吕正操果断地将手一挥:“就此脱离53军，寻找地下當，打游击去!”各营、连长们都同意马上回师北上。
第二天，团部在晋县小樵镇召开部队整编和北上行动计划会议。吕正操说:作为爱国军人，我们每一个人都负有保卫国土、收复失地的责任。我们面前只有一条路:像红军那样，到敌后打游击去!14日，吕正操率部在小樵镇宣布起义，在共/产/當的领导下，改称“人民自卫军”，在冀中平原上，树起了第一面共/产/當抗日武装力量的大旗。
不久，在建设根据地和对日寇的战斗中，吕正操领导的人民自卫军与中国共/产/當领导的晋察冀军区接上了关系。1938年5月，吕正操任冀中军区司令员兼八路军第三纵队司令员，1943年11月任晋绥军区司令员，中/共中央晋绥分局委员、常委，在领导军民打击日寇的战争中，成为威震冀中的抗日名将。
抗日战争胜利后，吕正操根据中央军委的决定，率军向东北挺进。10月下旬到达沈阳，在东北民主联军总司令部任副司令，在稳定沈阳局势、配合苏联红军维持市内治安、救济饥寒贫困的市民、收编伪匪杂牌军、接收日军械装备等方面做了大量工作。12月起任中/共中央西满分局常委、西满(辽热)军区司令员，在东北开展土地改革、发动群众建立根据地、清算日伪罪行、剿灭残匪、扩大人民武装、建立人民证权。1946年1月至1947年12月任东北民主联军副总司令，在东北各地负责修复战争破坏的铁路和运输物资等工作，为辽沈战役和东北的解放做了大量的物资准备，保证了东北解放战争的胜利。
从领导岗位退下来的吕正操，一直关注着老上司张学良的消息。受中央的委托，1991年5月，86岁高龄的吕正操亲赴美国，看望已90岁的张学良。两位已经半个多世纪没有见面的老战友四目相对，双手紧握，互致问候，畅叙旧情。吕正操与张学良的高龄聚会，转达了中国证府和人民对张学良将军的敬仰之意，慰藉了张学良将军离开沈阳60年的思乡之情，为海峡两岸和平统一大业谱写了新的篇章。张学良过世后，吕正操在唁电中写道:“张学良将军生则功盖祖国，逝则重于泰山，无愧于祖国人民称之为千古功臣、民族英雄的伟大称号。”吕正操在接受记者采访时说:“他(张学良)一生志在国家和平统一，振兴中华民族。他走了，留下了一个永远的遗憾。”
晚年的吕正操将军曾多次回到沈阳，重游故地，会见老友，参加各种纪念活动。1991年参加“九?一八历史博物馆”开馆仪式并揭幕，2001年9月在“九一八”事变70周年之际，吕正操应邀出席由东北三省文史馆联合主办的纪念仪式，留下了他壮心不已的英雄身影。
