与陕北红军会师后，陈光任红四师师长，参加直罗镇战役和东征战役。1936年6月，陈光入抗日红军大学学习，之后代理红一军团军团长。
抗日战争时期.1937年红军改编为八路军后，陈光任115师343旅旅长，投入抗日战争。陈光参与了平型关战役和广阳战斗。不久，陈光升任115师副师长。1938年3月，由于115师师长林彪受伤，陈光任第115师代理师长。随后，陈光指挥部队进行午城井沟战斗，开辟晋西南根据地。1938年12月，陈光与罗荣桓率领师直与686团等部队到达晋东南，组成东进支队，向山