抗日战争转入全面反攻后，八路军、新四军各一部进军东北。1945年10月9日，中共中央决定组织东北临时军事机构――东北军区司令部，
程子华任司令员，
彭真任政治委员，
伍修权任参谋长。10月31日，将相继进入东北的八路军、新四军和由东北抗日联军改编的东北人民自卫军组成
东北人民自治军，
林彪任总司令，
彭真、
罗荣桓分任第一、第二政治委员，
吕正操、
李运昌、
周保中分任第一、第二、第三副总司令，
萧劲光任第四副总司令兼第一参谋长，程子华任副政治委员，
伍修权任第二参谋长，
陈正人任政治部主任，
周桓任政治部副主任，
叶季壮任后勤部部长，
杨至成任后勤部政治委员。至11月底，进入东北的八路军、新四军部队达11万人，并陆续成立了锦热、辽宁、辽东、辽西、吉林、辽北、松江、三江、嫩江、北安等军区。
1947年4月20日，
冀察热辽军区（程子华任代司令员兼政治委员）由
晋察冀军区划归东北民主联军建制。8月，撤销西满军区，其所属第1、第3、第5分区编入龙江军区，第2、第4分区编入嫩江军区，均归东北民主联军总部直属。
1948年1月，东北民主联军改称东北人民解放军，分为东北军区和
东北野战军，东北民主联军总部改为东北军区和东北野战军领导机关，林彪任司令员兼政治委员，吕正操、周保中、萧劲光任副司令员，罗荣桓、高岗、陈云、李富春任副政治委员，
刘亚楼、
伍修权任参谋长，
谭政任政治部主任。下辖第1、第2、第3、第4、第6、第7、第8、第9、第10纵队及合江、龙江、嫩江、松江、牡丹江、吉林、辽吉、辽东军区以及冀察热辽军区和内蒙古军区。3月，又组建第5、第11、第12纵队。8月，单独建立东北野战军领导机关（林彪任司令员，罗荣桓任政治委员）。东北军区仍由林彪兼任司令员和政治委员，高岗任第一副司令员兼副政治委员，吕正操、周保中、萧劲光任副司令员，罗荣桓任第一副政治委员，陈云、李富春任副政治委员，刘亚楼、伍修权任参谋长，谭政任政治部主任，李富春兼任后勤部部长。
1948年11月东北全境解放后，林彪、罗荣桓率东北野战军入关作战。12月，东北军区对所属部分机构进行调整，下辖
辽北军区、辽宁军区、
安东军区、
热河军区（今分属内蒙古、辽宁、河北）、
锦州军区、内蒙古军区和松江、合江、龙江、嫩江、吉林省军事部及第50军、铁道纵队等，并成立炮兵第1、第2指挥所和装甲兵、高炮、工兵指挥所；冀察热辽军区所属冀东军区调归
华北军区建制。
1949年2～6月，东北军区机关和部队进行整编。整编后，东北军区辖辽东、辽西、热河、内蒙古等军区和松江、黑龙江、吉林等省军事部及7个步兵师、1个警卫师、11所军事院校等。6月2日，高岗任东北军区司令员兼政治委员，李富春任副政治委员，伍修权任参谋长，
周桓任政治部主任。
朝鲜战争爆发后，1950年7月，
中国人民解放军第13兵团进驻东北，改编为
东北边防军。8月，成立东北军区防空司令部。12月，成立军区摩托装甲兵领导机构和东北铁道运输司令部。1951年4月，成立军区炮兵领导机构。11月成立旅大军事部。
1952年1月，吉林、松江、热河、黑龙江等省军事部改为军区。4月，组建军区国防建设工程指挥部。
抗美援朝战争期间，高岗仍任东北军区司令员兼政治委员，
贺晋年任副司令员兼参谋长，李富春、张秀山任副政治委员，周桓任副政治委员兼政治部主任（后
莫文骅任政治部主任）。东北军区为
中国人民志愿军实施后勤保障，全力支援了抗美援朝战争。
1954年2月，
邓华任东北军区第一副司令员、代司令员。3月，撤销东北铁道运输司令部，成立东北军区司令部军事交通部。4月，军区各特种兵机关分别改编为军区空军部、防空部队部、炮兵部、装甲兵部、工程兵部、公安部队部。8月，辽东、辽西军区合编为辽宁军区，松江、黑龙江军区合编为黑龙江军区。
1955年3月22日，根据
国务院同年2月11日关于全国军区重新划分的决定，东北军区改编为
沈阳军区。