为了加快根据地的建设，党中央特别强调指出，我军应迅速划分军区和军分区，划分野战军和地方军，将正规军的相当部分，分散到各军分区去，从事发动群众、消灭土匪，建立政权，组织游击队、民兵和自卫队，以便巩固地方，配合野战军，粉碎国民党军的进攻。为此，东北人民自治军总部改变了集中作战的部署，以师为单位分散西满、北满、东满广大地区，建立根据地。到12月，陆续成立了锦热、辽东、辽宁、吉林、辽西、辽北、嫩江、松江、三江、北安等10个军区，并辖冀热辽军区挺进东北支队（曾克林的十六军分区，辖二十一、二十三、二十四旅）；山东军区第一师（梁兴初部）、第二师（罗华生部）、第七师（杨国夫部）、新四军第三师（黄克诚部）、陕甘宁晋绥联防军三五九旅（刘转连部）、山东鲁中警备第三旅、东北人民自治军第二、三纵队及新编的2个步兵旅、1个炮兵旅、1个炮兵混成旅等部。同年12月，延安抗大挺进东北部队与延安炮校及工兵大队，在通化合编组建了东北军事政治大学，林彪任校长，彭真任政委。
到1945年底，东北部队发展到了27.49万人，虽然在阻止国民党军抢占东北中发挥了一定的作用，但是，许多新发展的部队成分复杂，很不巩固，缺乏战斗力。在部队的组织协调上，也存在着一定的问题。
东北民主联军阶段：1946年1月14日，根据中央军委命令，东北人民自治军改称为东北民主联军，林彪任总司令，彭真任第一政治委员，罗荣桓任第二政治委员，吕正操、周保中、肖劲光任副司令员，程子华任副政治委员，肖劲光兼第一参谋长，伍修权任第二参谋长，陈正人任政治部主任。2月，国民党军又调部队进入东北战场，发动新的进攻，为适应作战需要，东北民主联军将原有的10个军区合并为东、西、南、北满4个军区，下辖三级军区。此时，锦热军区已于1945年12月划归晋察冀军区。东北的部队有：东满（吉辽）军区下辖吉东军区、通化军区、辽北军区、第七纵队（即万毅率领到东北的山东滨海支队）、二十二旅（即山东二师）、二十三旅、二十四旅；西满军区下辖嫩南军区、辽西军区、第三师（黄克诚部）；南满军区下辖安东军区、辽宁军区、第三纵队（由山东三师、鲁中警备三旅、十六军分区二十一旅、二十三旅组成）、第四纵队（即山东军区五师、六师）；北满军区下辖松江军区、合江军区、北安军区、嫩江军区、第七师（山东军区杨国夫部）；直属三五九旅。4月，又成立牡丹江军区（后改绥宁军区）。
6月16日，根据中央军委的指示，调整充实了东北局和东北民主联军的领导人，林彪任东北局书记，以林彪、彭真、罗荣桓、高岗、陈云等5人组成东北局常委。林彪任东北民主联军司令员兼政治委员，吕正操、周保中、肖劲光任副司令员，彭真、罗荣桓、高岗、陈云任副政治委员，肖劲光任第一参谋长，伍修权任第二参谋长，聂鹤亭任参谋长，谭政任政治部主任。部队进行了调整，撤销北满军区，将松江、合江军区直属民主联军总部；北安军区改称龙江军区，嫩江军区、龙江军区归西满军区；辽西军区改称辽吉军区；通化军区缩编为军分区归辽南军区建制。
1946年8月至10月，在东北局扩大会议后，东北部队进行了一次大的整编，成立了第一纵队、第二纵队、第六纵队，以三五九旅和松江军区、吉林军区的地方武装编成了东北民主联军第一、二、三、四独立师。1946年10至11月，成立了东北民主联军炮兵司令部和护路军司令部，成立了内蒙古人民自卫军司令部。还收集了日军遗留残损火炮、战车，组建了10个炮兵团、战车大队、高炮大队。
1947年4月20日，冀热辽军区划归东北民主联军建制，改称冀察热辽军区，下辖热河军区、冀热察军区、冀东军区。8月，东北民主联军又组建了第七纵队、第八纵队、第九纵队、第十纵队及部分独立师。到1947年12月，东北民主联军共有3个二级军区、12个三级军区、内蒙古人民自卫军司令部、两个前方司令部、9个纵队、10个独立师、1个炮兵司令部、1个护路军司令部、共73．84万人。这一期间，东北民主联军进行了辽东保卫战、三下江南四保临江及夏季攻势、秋季攻势，利用停战休整补充了部队，开展了军事训练，加强了思想工作，武器装备得到了很大改善，各师皆发展为1万至1.2万人左右。特别是三下江南四保临江战役，成功运用了各种战术手段，使部队受到了锻炼，坚持了南满根据地的斗争，并壮大了实力，使东北民主联军从战略防御转入战略进攻。
东北人民解放军阶段：1948年1月1日，东北民主联军改称为东北人民解放军，分为东北军区和东北野战军，东北民主联军总部改称东北军区兼东北野战军领导机关，林彪任军区兼野战军司令员和政委，吕正操、周保中、肖劲光任副司令员，罗荣桓、高岗、陈云、李富春任副政治委员，刘亚楼任参谋长，谭政任政治部主任。东北军区下辖辽东军区、吉林军区、冀察热辽军区、松江军区、合江军区、牡丹扛军区、龙江军区、嫩江军区、辽吉军区等9个军区和内蒙古人民解放军（内蒙人民自卫军改）；东北野战军下辖一、二、三、四、六、七、八、九、十共9个纵队、炮兵司令部、护路军司令部、9个独立师、2个骑兵师。3月10日至13日，组建了第五纵队、第十一纵队、十二纵队。
为了适应东北形势和作战的需要，1948年4月13日，东北军区将辽东军区前方指挥所改称东北人民解放军第一前方指挥所，肖劲光任司令员、肖华任政委，负责指挥第三、四、五纵队和辽东军区3个独立师及地方武装；将冀察热辽前方指挥所改称为东北人民解放军第二前方指挥所，程子华任司令员、黄克诚任政委，指挥第八、九纵队和冀察热辽军区4个独立师。与此同时，南满军区撤销，其部队分别编为安东军区和辽南军区。
1948年7月15日，以护路所属部队为基础，补入一部分二线兵团，并吸收一批铁路员工为技术骨干，组建了东北人民解放军铁道纵队，下辖一、二、三、四支队，共1.7万人。8月15日，以延安炮校为基础，将东北炮团改编为炮兵纵队，苏进任司令员、邱创成任政委。
8月14日，东北野战军司令部单独成立，林彪任司令员，罗荣桓任政治委员。9月7日，经中央批准将东北人民解放军第一前方指挥所改称东北野战军第一兵团，东北人民解放军第二前方指挥所改称东北野战军第二兵团。
至辽沈战役前，东北野战军已有12个纵队、1个炮兵纵队、1个铁道纵队、17个独立师计70万人，加上地方部队总兵力达105万人。经过近8个月的作战，部队的整体作战能力有了很大提高，在沈阳西北的公主屯地区一举歼灭了国民党军1个整军，特别是部队利用作战后进行了整训，开展了新式整军运动，以政治教育和军事训练为基础，全面提高部队的战斗力，为同国民党军进行战略决战奠定了重要基础。
辽沈战役后，以参军农民为主，大力加强了二线兵团建设，先后组训了176个团，为部队输送了37万新兵。同时，将作战中所获的25万俘虏的一部，补入了主力部队，大大加强了东北部队的力量。
1948年11月1日，中央军委颁发《关于全军组织及部队番号的规定》将野战军改为军、师、团建制，采用三三制编制。东北野战军从11月17日起将一至十二纵队，依次改为中国人民解放军第三十八军至四十九军。经军委批准，每个军增加了1个由地方部队改编的师，每军为4个师，总兵力达84.7万人，12月，东北野战军开始入关作战。东北军区有47.9万人。
东北野战军入关后，东北军区进行了整编，撤销军区建制。在北满成立了松江、合江、龙江、嫩江及吉林省军事部，南满地区大部为新区，保留辽宁、辽北、安东、内蒙军区，撤销冀察热辽军区，所辖冀东军区、冀热察军区归华北军区建制。组建锦州军区、热河军区。
东北军区机关由哈尔滨移至沈阳。