天佑任八路军115师343旅686团团长，参加了平型关战役。10月，指挥部队在广阳附近歼灭日军千余人，缴获战马数百匹。之后转战晋西南地区。1938年3月，被任命为第343旅代旅长。1938年5月，李天佑因病回延安，不久转到西安治疗。年底，奉命到苏联伏龙芝军事学院特别班学习。1944年8月，李天佑辗转到达延安。1945年4月，参加了中共七大。
第二次国共内战时期.抗日战争胜利后，李天佑奉命到沈阳，协助吕正操完成鞍山、营口地区的设防任务。1946年1月，被任命为北满军区参谋长。1946