苏联红军进军东北，担任参谋。在作战中，一次苏联空军与地面部队的协同中出现问题，导致苏军地面部队遭到苏联空军轰炸，事故原因是一条命令没有得到有效传达，该命令曾通过刘亚楼传达，刘亚楼一度被判死刑，后调查得以幸免。日本战败后，刘亚楼留在苏联红军驻华部队，负责苏联红军和八路军的联络。
第二次国共内战时期.东北民主联军成立后，林彪、罗荣桓出面举荐，由中共中央向苏联要回刘亚楼。1946年5月后，刘亚楼任东北民主联军参谋长，兼任东北民主联军航空学校校长，代号103，与林彪、罗荣桓一起成为东北中国