11月接受共产党领导，将所部改编为八路军平汉抗日游击纵队，任司令员，同年加入中国共产党。1940年2月率部转至山西武乡八路军总部附近。5月上旬指挥部队参加白晋铁路破击战。后任八路军129师新编10旅旅长、平汉纵队司令员兼太行军区第6分区司令员，率部参加百团大战，并在战斗中中毒。1941年11月，范子侠又参与了黄崖洞保卫战。1942年2月12日，在沙河县柴关一带反扫荡作战时阵亡，时年34岁。
身后.范子侠阵亡后，埋葬于沙河西大安山脚下封峦寺旁。1949年，范子侠遗体移至于河北邯郸