1939年5月初，山东日军最高指挥官尾高龟藏，亲自指挥日伪军5000余人，配有汽车、坦克 100余辆，炮100余门，兵分九路，向我泰西根据地 “扫荡”，企图寻找一一五师主力决战。陈光率领的所属部队和地方党政机关共 3000余人，都陷入敌人的包围之中。这时，罗荣桓不在师部，指挥的重任就落在陈光肩上。陈光清楚地知道，一一五师的前身是红一方面军，是我军的主力和精华，干部大都是红军时期的骨干，决不能被敌人搞垮。他以高度的政治责任心，迅速对当时敌情进行判断，果断决定，率部向北转移。不料途中与敌人遭遇，被迫撤到肥城以南陆房一带。陆房四面环山，纵横不过十来华里， 3000余人被困在这一狭小地区内，情况十分危急，只要一处被敌突破，就有全军覆灭的危险。各部队按照陈光的命令，迅速占领阵地抗击敌人。 11日拂晓，敌人在猛烈炮火掩护下全线向我军进攻，战斗异常激烈，四周山头硝烟弥漫。陈光沉着冷静地指挥部队英勇顽强地抗击敌人，打退敌人一次次冲击。
下午，敌人集中兵力和全部炮火，抢攻我主阵地，企图夺取这个制高点。陈光亲自到该团二营阵地，鼓励指战员： “誓死守住阵地，剩下一个人也要战斗到底，要与阵地共存亡!”指战员们看到陈光师长来到前沿阵地，大受鼓舞，在弹片横飞、硝烟弥漫的阵地上，连续打退敌人九次疯狂进攻，保障了全线防御的安全。
夜幕降临后，陈光收拢部队，从敌人阵地的空隙，分两路隐蔽突出重围，安全到达东平以东的无盐村，会合了政委罗荣桓。
战斗结束后，一一五师召开陆房突围祝捷大会。罗荣桓表扬了全体指战员英勇顽强的战斗精神，高度评价陆房突围保存了红军建军以来的一大批优秀骨干，对发展革命力量，坚持山东敌后抗日战争，具有重大意义。
8月 1日，陈光和罗荣桓突然接到情报：有一股敌人向梁山开进。陈光很快查明，这股由日少佐大队长长田敏江率领的日军，约400余人，准备到梁山一带 “扫荡”。当时，师首长身边直接掌握的部队还不到一个营的兵力，但附近到处是青纱帐，便于部队隐蔽运动，在梁山南边10余公里处有杨勇的独立旅。而这股敌人没有后继部队，孤军深入，指挥官长田敏江是日本天皇的亲戚，十分骄横。根据对上述敌我情况的分折，陈光激动地对罗荣桓说： “吃掉他!不能让他跑掉 !”罗荣桓赞同陈光的意见，一致决定将师部特务营的两个连预伏在前集附近，师骑兵连监视和引诱敌入，并通知独立旅一团率三营迅速隐蔽赶来参加战斗。
2日午后，骄横的长田敏江带领步、骑、炮兵，排成长长的一列，神气十足地进入我预伏地区。在陈光指挥下，特务营的两个连突然向敌人发起猛烈攻击，将敌打乱，毙伤其40余人，混乱的敌人退守梁山西南的独山庄。晚9时，特务营和及时赶来的独立旅一团三营，从四面向独山庄发起攻击，敌人突遭袭击惊慌失措，凭借街巷顽抗。经过激烈的巷战，敌人节节败退，最后集中在一个骡马店大院里，负隅顽抗，固守待援。这时天已快亮，如果敌人援兵赶到，对我十分不利。
关键时刻，陈光命令部队： “不要顾虑敌人增援，要集中力量，不顾一切坚决消灭敌人！房子打坏了，战后再赔偿。 ”罗荣桓支持陈光的战斗决心，也对部队指挥员作了坚决歼敌的明确指示。部队重组火力，向固守之敌猛烈进攻。敌人不支，突围向南逃窜。我军跟踪追击，再将敌分割包围于野外，经过激烈的肉搏，于中午将敌人全部歼灭。这一仗俘日军 24人，缴炮3门，电台3部，轻重机枪 10余挺，长短枪 200余支，骄横一时的长田敏江被击毙，创造了我军同敌军数量相等、在装备处于劣势情况下，全歼日军一个大队的模范战例。
梁山战斗的胜利，震动了鲁西，传遍了山东，进一步扩大了中国共产党和八路军的政治影响，也坚定了坚持平原游击战争的胜利信心。不久，中央军委发来贺电，表扬参战部队。蒋介石也发来一封嘉奖电报，还送来3万元表示慰劳。梁山战斗后，日军有关部门专门撰写了《陈光部作战研究》的小册子发至部队，供他们指导作战之用。
到 1940年11月底，一一五师在山东所属部队编为七个教导旅，四个军分区，主力部队 6万余人。同时，地方部队也获得空前发展。山东纵队所属部队，整编为五个旅、四个支队，约5万余人。一一五师以一旅之众进入山东不到两年即发展到如此规模，身为军事负责人的陈光，作出了不可磨灭的贡献。
1945年8月15日，中国人民的抗日战争胜利结束。不久，党中央决定陈光赴东北，参加东北根据地的创建工作。
陈光 10月到达沈阳。不几天，罗荣桓从山东率部队来到东北。当时中共中央东北局决定在黑山、北镇一带组织第二防线，由陈光负责指挥。罗荣桓便把从山东带来的一部电台和机要人员转交陈光使用。 11月下旬，林彪带领总部指挥所从山海关撤到阜新。这时，国民党军已进占锦州、沟帮子一带，情况十分紧急。恰在此时，林彪给陈光发电报，要调配属他的电台和机要人员到阜新总部工作。当时陈光考虑到战况紧张，没有电台无法进行联络指挥，回电希望不调。林彪不同意，连发两电催调电台，并指责陈光扣压电台不上调，妨碍他指挥作战。陈光接此电报后，即通知机要股长、电台队长一、二日内去阜新总部报到。此时突发紧急情况，锦州敌人向北镇大举进攻，电台只好随陈光向东转移至吉林磐石一带。
这里距林彪的总部愈来愈远，电台没有上交了。此事后来成为陈光“无理霸占电台，抗命不交”的罪名，受到批判。
1946年1月，陈光调任东满军区副司令员兼参谋长。 3月中旬，东北局与东北民主联军总部在部署四平会战时，把解放长春作为这一战役的组成部分，并把任务交给东满军区。为摸清长春敌情，顺利攻占该城，陈光不顾个人安危，亲自进长春侦察。他带上翻译、警卫员，身着军衣，乘一辆吉普车进了长春。苏军司令部派了一个班护送陈光在长春转了一些主要街道，察看伪满军驻地。陈光回后，将侦察到的情况通报攻城部队。 4月14日中午，苏军全部撤离长春。下午 2时，陈光即指挥我军按预定部署对长春之敌发起进攻。守城的敌人主力是伪满军的“铁石”部队，装备精良，负隅顽抗，因而战斗十分激烈。 17日，我主力部队七师从西南攻入长春，占领了斯大林广场、银行等要地。陈光随攻城部队进入长春，指挥战斗。 18日，三路攻城部队在长春市中心胜利会师，全歼伪满 “铁石 ”部队 2万余人，第一次解放了长春。我军以相当于长春守敌的兵力作战，攻占了有坚固防御工事的重要城市，这是我军在东北战场首次取得攻坚战的重大胜利。
1949年 1月底，北平和平解放后，陈光同四野的其他领导人一起住在北京饭店。在这里，他接到毛泽东亲自签署的命令，任命为第四野战军副参谋长。 3月下旬，第四野战军在北平朝阳门内的九爷府召开了师以上高级干部会议，林彪当众点名批评陈光。这对刚接到新任命不久的陈光，犹如劈头泼了盆冷水，心中十分恼火，认为这是林彪有意打击他。 5月，陈光随第四野战军司令部一起从北平南下。到达武汉后，即投身于新的紧张的工作之中，为解放长江以南的广大地区作出了贡献。
