1939年秋，对外改称冀豫边游击纵队。1940年6月，根据中共
北方局黎城会议的决定，撤销晋冀豫军区，正式成立太行军区，由
八路军第129师师部兼军区机关，
刘伯承兼任司令员，
邓小平兼任政治委员，
王树声任副司令员，
李达兼任参谋长，
蔡树藩兼任政治部主任，
黄镇兼任政治部副主任。下辖：第1军分区，
秦基伟任司令员，高
杨任政治委员；第2军分区，
张国传任司令员，
赖若愚任政治委员；第3军分区，
郭国言任司令员，王一伦任政治委员；第4军分区，
石志本任司令员，
王孝慈仁政治委员；第5军分区，
皮定均任司令员，
鲁瑞林任政治委员；新编第1旅，
韦杰任旅长，
唐天际任政治委员；新编第10旅，
范子侠任旅长，
赖际发任政治委员；新编第11旅，
尹先炳任司令员，
黄振堂任政治委员。该军区组成后，先后参加了
百团大战、1940年冬季反“扫荡”和
黄崖洞战斗。
1941年1月下旬，
八路军第129师决定，新编第11旅并入太行军区第1军分区，所辖部队整编为第31、第32团，分别为第1、第4军分区基干团；决死第3纵队及所辖第7、第8、第9团并入太行军区第3军分区（保留纵队番号），所辖部队编为第3军分区基干团。3月，参加了反“蚕食”、反封锁斗争。9月17日，太行军区决定，成立第6军分区。10月下旬，
八路军第129师决定，新编第10旅机关与第2军分区合并（仍保留第10旅番号），所辖第28、第30团作为基干团划归第2军分区建制，第29团分编为邢台等地方武装。11月，参加冬季反“扫荡”作战。1942年，太行军区先后参加了春季反“扫荡”、夏季反“扫荡”和秋季反“扫荡”作战。
1943年3月20日，八路军第129师决定，第
385旅机关并入太行军区第3军分区，撤消第385旅番号，所辖第769团、第14团划归第3军分区建制，旅直属队一部和第13团划归第6分区。22日，新编第1旅机关并入太行军区第4军分区，撤销新编第1旅番号，所辖第2、第3（新建）团划归第4军分区建制，第1团划归第5军分区建制。5月至8月，太行军区先后参加了反敌“五月大扫荡”和林（县）南战役。9月8日，
八路军第129师决定，成立太行军区第7军分区，并将第4军分区所辖第3团，第5军分区所辖第1团划归其建制。29日，八路军第129师命令，成立太行军区第8军分区，并将第4军分区所辖第2团，第3军分区所辖第7团划归其建制。10月6日，中共中央决定，八路军第129师师部免兼太行军区。同时，抽调第
129师司令部、政治部机关部分人员，成立太行军区机关，隶属八路军总部领导。
李达任司令员，李雪峰任政治委员，黄镇任副政治委员兼政治部主任，袁子钦任政治部副主任，
张廷发任参谋长。下辖：第1军分区，
秦基伟任司令员，郭峰任政治委员；第2军分区，曾绍山任司令员，
赖际发任政治委员；第3军分区，
陈锡联任司令员，
彭涛任政治委员；第4军分区，
黄新友任司令员，
王孝慈仁政治委员；第5军分区，
韦杰任司令员，
徐子荣任政治委员；第6军分区，
宗凤洲任司令员，
谢富治任政治委员；第7军分区，
皮定均任司令员，高
杨任政治委员；第8军分区，黄新友兼任司令员，
江明任政治委员。太行军区与第129师分开后，先后参加了1944年春夏季攻势和秋季攻势作战。1944年9月6日，八路军总部决定，以太行军区第3、第35团（义勇军改变组成）等组建
豫西抗日游击第1支队（10月，该支队划归河南人民抗日军建制）。11月，参加
冬季攻势作战。
1945年1月，参加
道清战役。3月14日，八路军总部决定，以太行军区第6军分区一部，组建豫西抗日游击第6支队。4月4日，中央军委批准，以
抗大太行大队（1943年冬成立）和军区参谋训练队为基础，恢复抗大第6分校，归太行军区领导。6月，发起
安阳战役，歼灭敌伪6400余人。8月，参加战略大反攻。8月13日，太行军区决定，组建第3、第4支队。17日，又以第1、第4、第5、第6、第7军分区部分部队为基础，分别组建第1支队（又称韦（杰）支队）、第2支队（又称石（志本）支队）和第5支队（又称秦（基伟）向（守志）支队）。同时，组建第6支队。20日，中共中央决定，成立
晋冀鲁豫军区。据此，太行军区于9月2日划归晋冀鲁豫军区建制。8月底，组建太行纵队，辖第4、第5、第6支队（后编为晋冀鲁豫军区第3纵队）。
解放战争时期的太行军区是
抗日战争时期太行军区的延续。1940年6月，太行军区成立。1945年8月，
晋冀鲁豫军区成立后，太行军区归晋冀鲁豫军区领导，
秦基伟任司令员，李雪峰任政治委员，
黄新友、
赵辉楼任副司令员，黄镇任副政治委员，
何正文任参谋长，袁子钦任政治部主任。下辖：第1军分区，
胡震任司令员，
冷楚任政治委员；第2军分区，
鲁瑞林任司令员，
刘建勋任政治委员；第3军分区，
韩卫民任司令员，
于一川任政治委员；第4军分区，黄新友任司令员，刘毅任政治委员；第5军分区，
崔建功任司令员，
谷景生任政治委员；第6军分区，陶国靖任司令员，
陶鲁笳任政治委员。10月至11月，该军区先后参加了
上党战役和
邯郸战役。
1946年1月，太行军区根据
晋冀鲁豫军区1945年12月13日的命令，将第1、第2、第3、第4、第5、第6军分区依次改称第12、第13、第14、第15、第16、第17军分区。56月，太行军区根据晋冀鲁豫军区的命令，将6个军分区缩编为4个军分区，其中，第12军分区改称第1军分区；第13、第14军分区合并称第2军分区；第16、第17军分区合并称第3军分区；第15军分区改称第4军分区。6月，晋冀鲁豫军区决定，第4纵队第12旅划归太行军区建制，7月，第12旅改称军区独立旅。8月，发起正太线破击作战。11月23日，
晋冀鲁豫军区决定，太行军区独立旅划归太岳军区建制，并改称第23旅。12月，太行军区以第1军分区第34团与第2军分区第38、第39团组成独立第1旅，
崔建功任旅长，王大仁任政治委员；以第4军分区第43、第45团与第5军分区第45团组成独立第2旅，余洪远任政治委员。此时，太行军区下辖独立第1、第2、旅及第1、第2、第3、第4军分区。
1947年3月，太行军区将第3军分区改称第5军分区。7月，又将第1军分区改为人武部。7月2日，晋冀鲁豫军区决定，以太行军区前方指挥所和独立第1、第2旅及3个军分区基干团为基础，组建
晋冀鲁豫野战军第9纵队。9月，太行军区以第2军分区第41团、第4军分区第44团、第5军分区第5团组成太行军区独立旅，
安中原任旅长。12月，太行军区以第1、第2军分区3个团，组建太行军区独立第2旅；同时，将太行军区独立旅改称独立第1旅。是年，该军区先后参加了
豫北攻势和豫北1947年
冬季攻势及文氏战斗。
1948年2月8日，
晋冀鲁豫军区命令，将太行军区独立第1、第2旅划归
晋冀鲁豫野战军第13纵队建制。5月，
华北军区成立后，太行军区归华北军区建制（为二级军区）。
鲁瑞林任司令员，
赖若愚任政治委员，
赵辉楼任副司令员，
冷楚任政治委员，
王远芬任参谋长，
周光坦任政治部主任，下辖：第1军分区（人武部）
周璧任政治委员；第2军分区，
邹善芳任司令员，
池必卿任政治委员；第4军分区，
韩卫民任司令员，
贾久民任政治委员；第5军分区，陶国靖任司令员，
杨珏任政治委员。该军区调归华北军区建制，参加了豫北1948年保卫麦收作战。5月31日，中央军委指示，将太行军区第2军分区划归晋中军区建制，并改称第3军分区。12月，华北军区命令，将中国人民解放军太行军区调整为三级军区，并以太行军区第4军分区第47、第46团和武修第4个独立营为基础，组建
华北军区独立第7旅，归太行军区建制。同时，组建俘（补）训第7旅，归华北军区补训兵团建制。
1949年4月，根据华北军区统一规定的番号，重建第1（邢台）、第3（长治）军分区，并将第2、第4、第5军分区分别改为左权、焦作、漳卫军分区。8月1日，中央军委决定，撤销太行军区，所辖邢台、
武安军分区划归河北军区建制；长治军分区划归山西军区建制；
沁河、漳卫军分区划归
平原军区建制；独立第7旅缩编为警备第2、第3团，划归平原军区建制。