1948年1月，赵寿山被任命为中国人民解放军西北野战军（后改称第一野战军）副司令员，并参加了前敌总指挥部工作，协助彭总指挥部队直接与蒋介石、胡宗南在西北的国民党军队作战。
1949年7月6日，赵寿山参加了彭德怀司令员在咸阳主持召开的第一野战军总前委会议，彭总分析了当时西北战场形势，提出了今后战役行动的方针和解放大西北的总体构想。8月26日兰州解放后，根据彭德怀的命令，贺炳炎、廖汉生率领第1兵团第1军，王震率领第1兵团第2军，两支部队像两股铁流，直捣马步芳的老巢西宁。马步芳得知解放军已逼近青海，慌忙于27日乘飞机逃离西宁，前往重庆。9月5日下午，第1军先头部队2师5团胜利进占西宁城，古城西宁宣告解放。9月9日，一野2兵团4军政委张仲良奉命来到西宁，着手组建中共青海省委，并担任青海省委书记。12月2日，政务院第9次会议通过决议，并经中央人民政府委员会第4次会议批准，决定成立青海省人民政府，赵寿山为青海省人民政府主席。
1950年1月1日，在全国各族人民庆祝建国后第一个元旦佳节之际，青海省人民政府正式宣告成立。上午10时，在旧省政府礼堂隆重举行了人民政府宣誓就职典礼。会上公布了中央人民政府的命令，任命赵寿山为青海省人民政府主席，张仲良、廖汉生、喜饶嘉措（藏族）、马朴（回族）为副主席。成立仪式上，全体政府委员庄严宣誓：“在中央人民政府及毛主席领导下，全心全意为各族人民服务。遵照中国人民政治协商会议共同纲领及中央人民政府施政方针，团结青海藏、回、汉、蒙古、撒拉等各族人民，贯彻执行中央人民政府一切政策、决议和命令，坚决克服困难，建设新青海。”
参加会议的全省各族各界群众代表济济一堂，怀着无比激动的心情庆祝人民政权的诞生。青海省人民政府的成立，是青海人民政治生活中的一件大事，它郑重地宣告，青海人民当家做主的日子到来了。
党中央、毛泽东选择赵寿山主政青海，是经过深思熟虑的。早在新中国成立前夕，赵寿山随西北代表团前往北平参加新政协会议时，毛泽东就在考虑青海解放后组建人民政府事宜。1949年9月29日，毛泽东就新疆和平解放问题致电彭德怀，对陕、甘、青三省的省政府人事作出安排：“甘、青可以不成立军政委员会。陕甘青三省府的人选可以照你们所拟办理，即陕省府以马明方为主席、甘省府以邓宝珊为主席、青政府以赵寿山为主席”。
赵寿山奔赴青海任省政府主席后，以他一贯的军人作风，表现出诚实谦逊的执政风格。他在青海各界欢迎其就职的集会上发表简短致词时说：“我是个军人出身，经过了20多年的战场生活，但对行政工作却是一个门外汉。这次来青海，就是向青海人民来学习的，来和青海人民一道建设青海、开拓青海，扫除马少芳遗留下来的陈迹污垢，把我们的青海建设成幸福美好的乐园。”一番热情诚挚的话语，足见赵寿山的自谦和自信，赢得了青海各界人士的信任与尊重。