八路军正式的编制是国民革命军第十八集团军。
1937年抗日战争全面发动后，中国工农红军将领发出通电，请缨杀敌。中共中央派代表与国民党政府就中国工农红军改编等问题多次进行谈判。直到8月22日，国民党政府才正式宣布红军主力部队改编为国民革命军第八路军。8月25日，中共中央军委发布命令，将中国工农红军第一、第二、第四方面军和陕北工农红军改编为国民革命军第八路军。任朱德为总指挥，彭德怀为副总指挥，叶剑英为参谋长，任弼时为政治部主任，左权为副参谋长，邓小平为政治部副主任，下辖第一一五、第一二0、第一二九师和直属队。全军共4.6万人。随后，八路军各师相继开赴华北抗日前线。9月11日，国民政府军事委员会命令八路军改为国民革命军第十八集团军，属第二战区序列，并任命朱德为第十八集团军总司令，彭德怀为副总司令。14日，朱德、彭德怀发布关于第八路军改为国民革命军第十八集团军的通令：“顷奉南京军委十一日申电闻，着本路军改为国民革命军第十八集团军，并任朱德为该集团军总司令，彭德怀为副总司令。”由于红军改编为八路军后，八路军这个名称已在群众中留下了深刻的印象，尽管国民政府令其改变番号，但一般情况下，人们仍习惯地称它为八路军。
1937年8月25日，中共中央决定，将中国工农红军改编为国民革命军第八路军，朱德任总指挥，彭德怀任副总指挥，叶剑英任参谋长，左权任副参谋长，任弼时任政治部主任，邓小平任副主任。八路军指挥机关的组成是：司令部秘书长舒同，下设参谋处，处长彭雪枫（后为阎揆要），副处长边章伍；副官处，处长唐延杰，副处长余忠良；炮兵主任武亭；政治处主任李文楷。政治部设有宣传教育部，部长陆定一，副部长黄镇；组织部，部长谭甫仁；敌工部，部长蔡乾；保卫部，部长杨奇清；地方工作部，部长傅钟。供给部，部长赵尔陆，副部长谢今古（后改名黄达）；兵种部，部长叶季壮，副部长周玉成；卫生部，部长姬鹏飞。随营学校，校长韦国清，政委张平凯。特务团，团长朱水秋，政委邱创成。
9月11日，根据国民革命军战斗序列，改称第十八集团军总部，简称集总（习惯仍称八路军）。由八路军司令部、政治部和供给部组成。总司令朱德，副总司令彭德怀，参谋长叶剑英，副参谋长左权，政治部主任任弼时，副主任邓小平，供给部长杨立三。1937年9月15日，总部机关由韩城县芝川镇东渡黄河，转战华北，指挥作战，年底进入太行山区，之后一直驻扎于此，直至抗战胜利。1938年1月5日，中央军委任命邓小平为八路军一二九师政委，不再任总政副主任。2月28日，为统一对外名义，军委总政治部以八路军政治部出现，主任任弼时，副主任傅钟、谭政。1938年8月4日，中央和军委发布通知，王稼祥从苏联回国，担任军委总政治部主任，并兼八路军政治部主任。
1938年12月，中央军委决定成立八路军前方指挥部，简称"前指"，设立于晋东南。总指挥朱德，副总指挥彭德怀，参谋长左权，野战政治部主任傅钟，副主任陆定一。后勤部部长杨立三，供给部部长周玉成，"前指"秘书长申伯纯。总部所属特务团（团长尹先炳，政委李志民）、炮兵团（团长武亭，政委邱创成）、随营学校（校长韦国清，政委陈卜明）。1940年5月朱总司令返回延安，1940年5月25日，中央军委任命罗瑞卿为野战政治部主任，接替傅钟职务（1943年9月10日，张际春任副主任）。任命王若飞为八路军副参谋长，驻军委办事。鉴于叶剑英已回延安，1941年2月14日，中共中央决定叶剑英仍兼八路军参谋长，驻延安办公，王若飞调任中共中央秘书长。1942年5月25日，八路军总部副参谋长左权在战斗中牺牲。8月25日，中央军委任命滕代远为八路军副参谋长兼前指参谋长。
1942年秋，八路军总直机关的编成情况是：司令部，秘书长韩进；机要科长段连绍，参谋处一科科长王政柱，二科科长魏国运，三科科长吴子云，四科科长朱早观；情报处，处长滕代远兼，一科科长林一，二科科长钱江，三科科长项本立。野战政治部，组织部，部长周恒；宣传部长，部长陆定一兼，副部长王东明；敌工部，部长漆克昌；秘书处，处长陈志斌。后勤部，部长兼政委杨立三，下辖供给部，部长周玉成，政委周文龙；卫生部，部长钱信忠；军工部，部长刘鼎，副部长刘鹏；冀南银行行长兼政委高捷成，副行长熊光炳。特务团，团长欧致富，政委武开胜。
1943年9月8日，彭德怀离开麻田总部，同刘伯承一起回延安。10日，又任命杨立三为前指副参谋长。10月6日，中共中央决定一二九师于总部合并（保留一二九师番号）；中共太行分局合并于北方局，邓小平任北方局代理书记，主持八路军前方总部工作。1945年8月，成立晋冀鲁豫中央局和晋冀鲁豫军区，同时撤销中共中央北方局和八路军前方总部。
