1936年2月，红一军团和红十五军团组成中国人民抗日先锋军，举行东征。他率领红十五军团，渡过黄河，进入山西，准备开赴河北前线，对日作战。在山西孝义县兑九峪战斗后，毛泽东同志决定两军团分路活动。红十五军团挥师北上，逼近太原，直取晋西北。
5月，东征军回师河西。红十五军团回到陕北略事休整。中旬，奉命西征，配合左路军，迎接红二、四方面军北上。
10月8日，中国工农红军一、二、四方面军在甘肃的静宁、会宁地区胜利会师。他奉党中央命令，对张国焘做了大量的争取工作。
11月，红军三大主力会师后，他率红十五军团一部与红一军团并肩战斗，夺取了山城堡战役的胜利。
12月7日，中华苏维埃中央政府任命徐海东为中央革命军事委员会委员。
12月，西安事变爆发后，党中央命令红十五军团立即由甘肃海原县出发开赴商州，与张学良、杨虎城部队共同防御亲日派的武装进攻。
1937年2月，西安事变和平解决后，初步实现了国共合作，红十五军团奉命由陕西商州、雒南开赴甘肃庆阳驿马关整训。
8月，中国工农红军改编为国民革命军新编第八路军，任一一五师三四四旅旅长。
9月，八路军开赴华北前线后，率三四四旅参加了著名的平型关战斗。
10月，平型关战斗结束后，随朱德、彭德怀同志参加晋东南粉碎日寇九路围攻的战斗。
12月，根据党中央指示，和王震同志率部再次深入华北敌后开展山地游击战。
1938年6月，指挥町店战斗，歼灭日军第二十五师团一个联队，毙伤日军近千人，并击退来援之敌。
8月，病倒在华北战场上，后回延安休养。
10月，以中共中央军事委员会委员的身份列席了党的六届六中全会。会后进马列主义学院学习。
1939年8月，跟随刘少奇同志到华中开展工作。
9月15日，离开延安。奔赴华中后，任新四军江北指挥部副总指挥兼第四支队司令员，艰苦转战在皖东一带。
12月，在皖东周家岗，率领新四军第四支队与日寇激战三昼夜，取得了皖东反扫荡中的一次重大胜利。当时，还任中共中央中原局委员，后中原局与东南局合并组成中共中央华中局，任华中局委员。
1940年1月，由于紧张的战斗生活，劳累过度，旧病复发，病倒在皖东战场上。
5月，在安徽省津浦路西根据地休养。
8月，在江苏省淮安一带休养。
1946年8月，在山东诸城、莱阳等地休养。
9月，从山东到大连市休养。
1954年，任中央人民政府人民革命军事委员会委员、第一届中华人民共和国国防委员会委员（一九五八年、一九六四年又连任两届国防委员会委员）。在疗养期间，写了几篇重要回忆录。
1955年9月，被授予中国人民解放军大将军衔，并授予一级“八一”勋章、“独立自由”勋章和“解放”勋章。
1956年9月，当选为中国共产党第八届中央委员会委员。“八大”后，从大连回到北京。
1958年，病情稍有好转，到湖北参观访问，进行调查研究。
1960年，主编红二十五军战史，并向编委会提出，一定要写党、写人民、写集体，不要突出个人。
1962年，红二十五军战史编成后，又一次累得大吐血，病危九天。
1969年4月，带病出席了中国共产党第九次全国代表大会，担任大会主席团委员并当选为中央委员。
10月25日，被林彪、江青反党集团强行“疏散”到河南省郑州市。
1970年3月25日，在林彪、江青反革命集团的残酷迫害下，含恨逝世于郑州。
