1936年到达陕北。随后参加了红军西路军西征，西路军全军覆没中得以幸存，辗转经过游击战到达新疆，并于1937年秋返回延安。
抗日战争与第二次国共内战期间.1938年，李天焕被派往河北八路军晋察冀军区部队组织敌后游击战，任八路军冀中军区第十支队（第四军分区）政治部主任。1940年秋，任晋察冀军区第五军分区政治委员兼政治部主任，参加百团大战。1941年，任晋察冀边区政府公安局局长，参加反扫荡作战。1945年出席中共七大，7月任冀察军区政治部主任。1945年10月，李天焕任晋察冀军区