初期，他任八路军第120师358旅旅长（未到任），不久便调到延安抗日军政大学学习。同年冬因健康状况，经中共中央安排赴苏联疗养。1939年3月，他被派赴苏联伏龙芝军事学院特别班学习。1941年9月，纳粹德国向莫斯科进军，林彪率卢冬生等在苏学习人员坐火车经外蒙古回国，10月到达外蒙古库伦，由于中蒙边界道路受到破坏，受阻于库伦一个月。由于林彪是以一一五师师长赴苏联治病的身份公开出境的，可以坐飞机通过公开渠道回国，其余在苏联学习军事的人员则属于非法入境，无法乘飞机回国，只好滞留外蒙古。卢冬生和刘亚楼因俄语较好，进入