1937年10月，八路军一一五师主力转战于娘子关。副师长兼政委聂荣臻率该师2000多人，留守五台山地区，根据中共中央指示，创建晋察冀抗日根据地。
留守部队分兵向晋、察、冀3省边陲地区进发。一一五师独立团首先攻克涞源、广灵、蔚县、灵邱等县城，形成察南、雁北根据地；骑兵营活动于阜平、曲阳、行唐地区，打开了冀西北部的抗日局面。一二○师三五九旅组成干部地方工作团，开赴冀西平山、井陉地区，在一二九师七一七团的配合下开辟了晋东北，随后，又协同一一五师六八五团一部开拓了冀西南部地区。193711月，八路军晋察冀军区和中共晋察冀省委（次年4月改为区委）相继成立。1938年1月，国共双方合作召开晋察冀边区军政民代表大会，民主选举产生了边区临时行政委员会，宋劭文为主任委员。这是敌后第一个由共产党领导的统一战线性质的抗日民主政权。此后不久，日军以2万余兵力向晋察冀边区进攻，被八路军击溃，日军毙伤2千余人。同年春，为配合津浦、晋南正面战役，边区部队在平汉线和津浦线上展开破袭战，取得了自平型关大战后的又一次较大胜利；同年9月，又发起长达40余天的反围攻战役，遏止了5万日军向根据地腹地五台、平山地区的攻势，保卫和巩固了根据地。这期间，中共晋察冀地方党组织大力发动群众，开展基层政权建设，广泛组织民众游击队、自卫队和群众抗日团体。至是年秋，以五台、、阜山、平山等为中心的晋察冀北岳区抗日根据地初具规模。
石家庄、太原失陷后，冀中抗日根据地得到迅速发展。1937年10月，原东北军五十三军一二○师六九一团官兵在团长、共产党员吕正操的带领下，誓师抗日，改称人民自卫军，与中共保属省委（次年先后改为冀中省委、区委）组织的河北游击军会合，在冀中地区开展游击战争，建立了高阳、任邱、蠡县、安国等9个县政权。1938年1月，日军占领高阳、安新等地，自卫军和游击军迅速回师，收复了失地。5月，两军合编为八路军第三纵队，成立了冀中军区，同时，建立了冀中行政主任公署。冀中的回族同胞组成了回民支队，在马本斋的领导下参加八路军抗击敌人。此外，一二○师主力也进入冀中，发动河间歼灭战，帮助了平原游击战的进一步开展。至此，抗日游击战已发展到冀中38个县的广大地区，创建了西起平汉路、东至津浦路、北迄北宁路平津路、南达沧石路的冀中平原抗日根据地，成为晋察冀根据地的一个组成部分。
1938年3月，晋察冀军区组建邓华支队，向平西进发，开辟了以宛平为中心的涞水、涿县、房山、昌平、怀来等地区，为挺进冀东取得了前进的阵地。
6月，邓华支队与一二○师宋时轮支队组成八路军第四纵队分两路开赴冀东后，平西抗日根据地的创建一度处于停顿状态。为接应第四纵队，中共冀热边特委于7月领导冀东20万民众发起抗日大起义，在17个县内开展游击战争，配合八路军基本摧毁了冀东伪政权，建立了冀东抗日根据地。同年9月，日军大举围攻冀东区，第四纵队和冀东地方抗日武装分批向平西转移，途中与敌遭遇，损失较大。此后至次年春夏，日军对冀东和冀中分别进行了5次围攻“扫荡”。国民党张荫梧部乘机夺取冀中，残杀深县八路军后方机关干部战士4百余人，制造了“深县惨案”。不久，该部被一二○师七一五团等部歼灭。
1939年1月，中共中央决定撤销晋察冀分局，成立中共北方局，由彭真任书记，关向应、程子华、聂荣臻为委员。同月，第四纵队返抵平西，根据中共中央再次挺进冀热边的命令，组成冀热察挺进军。2月，挺进军司令部和中共冀热察区党委先后成立，统一领导冀东、平西、平北的抗日斗争，确立了坚持平西，开展冀东游击战，发展规模较小而为数众多的游击根据地的战略任务。继6月粉碎日伪军5路进攻后，挺进军乘胜开拓了房、涿、涞地区，恢复并扩大了平西原有根据地。与此同时，中共冀东地委（由原冀热边特委改建）将冀东抗联武装统编为八路军第十三支队，活动于遵化、蓟县、丰滦迁一带，不久，建立了冀东第一个抗日民主县政权。
1939年9月至12月，在日伪军不断进攻北岳区之时，阎锡山派白志沂部进入北岳，攻击抗日政权，残害中共地方干部。10月下旬起，三五八旅和雁北支队、察绥游击支队发起反顽战役。1940年初又击溃国民党新编第二师金宪章部的进攻，肃清了北岳区的顽逆势力。同年冬，日军对北岳区进行大“扫荡”，八路军采取灵活转移、伏击奇袭以及攻击敌后方交通线和据点等方法，挫败了日军寻歼我军主力的阴谋，前后作战108次，击毙日军中将阿-部规秀及部F3600余人，迫敌全部退出五台、涞源、党诚等地。
1938年6月，第四纵队进军冀东后，曾留下一个大队活动于平北昌平、密云、滦乎一带。1940年1月，第四纵队一部再度挺进平北，至同年春夏之际，已建立了6块游击根据地，先后成立了平北军分区、晋察冀边区平北办事处（后改为边区十四专署）和中共平北地委。1941年，平北区开拓了下花园、康庄、古北口的广大地区，逐步健全了县政权。是年底，平北抗日根据地基本确立。
在冀东，1940年上半年，十三支队又开辟了以盘山为基地的蓟县、平谷、三河冀东西部根据地和以鲁家峪为中心的丰（润）玉（田）遵（化）的中部根据地，巩固了以潘家峪为中心的丰滦迁根据地，建立了冀东办事处（后改为边区十三专署）；同年5月，击溃日军“扫荡”。7月，十三支队改称冀东军分区。及至是年秋冬，冀东根据地得到巩固和发展。
1940年春，八路军冀中部队参与了晋冀豫区的反顽战役。同年8月起，冀中、冀东各部参加百团大战。这时期，冀中根据地深入开展了减租减息、统一累进税和改造村政权的工作，建立了村民代表大会。1940年7月至10月间，晋察冀边区行政委员会在全区内进行了大规模的民主选举运动，取得了引入瞩目的成绩，对巩固敌后根据地，确立“三三制”抗日民族统一战线起到了积极推动作用。
1941年到1942年，晋察冀边区进入极为困难的阶段。全区县城均被敌占领，大多数市镇及交通线附近村庄也成为敌占据点。1942年，中共北方局（后复改称晋察冀分局）和晋察冀军区提出到“敌后之敌后去”的口号，加强一元化领导。同年5、6月，晋察冀军民消灭日、伪军1万余人。1943年8月，中共北岳、冀中区委撤销，两区由分局直接领导。同年底到翌年夏，根据地各区均得到了恢复。1944年夏成立了晋察、冀晋、冀中、冀热辽4个二级军区，共辖124个县、4个市。随后，军区部队发起攻势作战，收复了大片领土。冀察区打开了察北、热西、平西的局面，与冀晋区连成一片；冀热辽区在锦（州）热（河）路南北开辟了大块地区；冀中区与山东渤海区、冀南连成一片。1945年8月大反攻时，收复城市40余座，控制了热河、察哈尔全境及河北、山西的广大地区，使晋察冀与晋绥、晋冀鲁豫、东北各区相邻。抗战胜利后，边区行政委员会辖热河、察哈尔两省政府，冀中，冀晋、冀东3个行政主任公署以及5个市政府、19个专署、167个县政府，成为华北最大的革命根据地。