1936年7月1日，红二、红六军团到达甘孜与红四方面军会师，两军团整编为红二方面军，贺炳炎改任第六师师长。10月20日，他和红二方面军官兵到达甘肃会宁，胜利完成了长征。

1937年7月7日，全民族抗战爆发后，贺炳炎顾不得伤病未愈，毅然离院回队，担任由红二方面军第六师改编的八路军第一二O师七一六团团长，随后，他率部挺进到同蒲路北段的宁武、神地、朔县一带，发动群众，进行抗日游击战争。当年10月，日军侵占大同后，继续向南进犯太原。为配合国民党军在忻口的防御作战，贺龙连续下了三道命令：一是命令张宗逊、李井泉率七一五团由崞县南下，袭击位于忻口西北20余公里的南北大场，打击敌人侧翼。二是命令三五九旅迅速赶到崞县以西，配合张宗逊部行动。三是命令贺炳炎和政委廖汉生率一个营（后来又增派了一个营）去雁门关偷袭日寇，切断其运输线。

17日黄昏，贺炳炎、廖汉生率部到达雁门关西南的秦庄和王庄。他们发现公路并不在雁门关下，遂主动去黑石头沟、吴家窑一带公路西侧设伏，同时派少数兵力占领雁门关。他们将此部署报告了贺龙：18日，第一次伏击，毙伤敌300余人，炸毁汽车20余辆；21日，第二次伏击，我军与敌激战2小时，伤13名、牺牲20名，敌伤亡3倍于我。

1938年1月，贺龙组建了一二O师独立第三支队，贺炳炎任支队长。随后，他率队到大清河北岸进行巩固和扩大根据地的工作。仅几个月时间，第三支队就由原126人扩充为3个团和3个独立营，近5000余人，打退了日军多次“扫荡”。是年冬，贺炳炎又率三支队进入冀中，先后参加了莲子口、北板桥等战斗。贺炳炎也成为“贺老总的猛将与爱将”。

1939年春天，贺龙率部队到了冀中，冀中军区领导人吕正操、程子华向他要干部，贺龙说：“你要哪个，我就给你哪个。”吕正操故意说：“我要三支队长贺炳炎。”贺龙笑着说：“你要贺炳炎？我说光贺炳炎一个人不行，得有一套：有人给你做政治工作，有人给你当参谋长。”很快，贺龙就从一二O 师抽调了50多名各级领导骨干派往了冀中军区，但就是没有把贺炳炎给调出去！

1940年夏秋，贺炳炎因赫赫战功升任三五八旅副旅长兼晋绥军区第三分区司令员，率部转战于冀中、冀南、冀鲁豫等地。1942年初，积劳成疾的贺炳炎赴延安军事学院学习，后转入中央党校学习，参加延安整风，并当选为中共“七大”代表。