回到南京后，即被扣押；东北军群龙无首，名存实亡。1937年6月，蒋介石强令东北军改编，吕正操被任命为国民革命军第53军691团团长。
转投中共.此前 ，已和中共有所接触的吕正操，在1937年5月，被中共北方局秘密接收为党员。“七七事变”爆发后不久，吕正操率所辖691团趁53军南撤之际，于1937年10月14日正式脱离了国民革命军，转投中共；旋即被任命为八路军第三纵队司令员、兼冀中军区司令员，着手创建“冀中平原抗日根据地”。张学良得知后，曾对表示：“必之（吕正操字）这条路走对了”。