主力开赴冀中，任冀中区总指挥部政治委员，参与指挥齐会、陈庄等战斗。1940年2月，关向应与贺龙率部回师晋绥。1940年11月起任晋西北军区政治委员，参加指挥百团大战。1941年，关向应患有的肺结核病情恶化，被迫退职回延安休养。1942年，他担任中共中央晋绥分局书记、陕甘宁晋绥联防军政治委员。1945年，在中共七大上当选中央委员。1946年7月21日，关向应在延安病逝。毛泽东为其题的挽词是：“忠心耿耿，为党为国，向应同志不死”。刘少奇在庐山会议 (1959年)上则提到关向应在死前曾流着泪说：“彭总，你不要