8月24日，李达接到太行军区转来的中央电报，得知中央已决定成立晋冀鲁豫中央局和晋冀鲁豫军区。邓小平为晋冀鲁豫中央局书记，薄一波为副书记；晋冀鲁豫军区下辖太行、太岳、冀南、冀鲁豫4个军区，刘伯承任司令员，邓小平为政委，滕代远、王宏坤为副司令员，薄一波为副政委，张际春为副政委兼政治部主任，李达为参谋长。
当天晚上，李达又接到刘邓首长发来电报，告知他他们将乘美军运输机次日从延安返回太行，在黎城的长凝简易机场降落。
刘邓首长在此关键时刻赶回坐镇指挥，这个消息使李达欣喜万分。至于黎城的长凝简易机场，李达对其安全系数是有把握的。那里原本是一片开阔地，被太行军区营救的美军飞行员见那里平坦异常，还以为是个秘密机场，曾询问过李达。这倒提醒了李达，他想：我军迟早也会有飞机的，也需要机场，何不先打个基础？他便命令部队有意识地到那里跑步、出操、队列训练，把那片开阔地踏得平平展展、结结实实。后来，美军建议在太行山区修建一个简易机场，作为飞往延安的中转站，八路军总部同意了这项建议。李达随即组织部队和附近群众按机场的要求进行了施工，建成了跑道长1公里的简易机场。到1945年8月，长凝机场已经起降飞机数十架次，从未出过闪失。往返延安太行只需几小时就能完成，而无须艰难跋涉1个多月的旱路，缩短了中央与太行晋察冀的距离。因此，李达才在前几天发往延安的电报中，建议刘邓首长乘飞机返回太行。
李达原想自己到长凝机场迎候，但攻打段村的战斗几小时后就要打响，自己实在分不开身，于是他打电话给驻涉县赤岸的太行军区司令部，要军区明天派人带骑兵排去机场迎接刘邓首长等。
8月24日夜，指挥部发出了进攻的信号，各部队开始行动，当夜即将敌人设置在段村镇外围的据点大部扫除。主攻部队决死第九团还一度攻上了东城墙，可惜由于敌人点燃浇了煤油的被子，我军攻城的云梯被烧断，进攻受挫。为减少伤亡，李达命令白天停止攻城，夜间再继续打。
8月25日，晋冀鲁豫军区首长刘伯承、邓小平、滕代远、薄一波、张际春，太岳、太行、冀南、冀鲁豫军区部队领导人陈赓、陈锡联、陈再道、杨得志、王近山，以及全国各大战略区的首长、部队负责同志林彪、陈毅、萧劲光、邓华、宋时轮、邓光明、李天佑、傅秋涛、聂鹤亭、江华等21人，同乘一架美军道格拉斯DC-9%运输机在长凝机场着陆。
刘邓首长下了飞机，就直奔赤岸村，马上接通了李达的电话。李达向他们扼要地汇报了近日的战况，以及自己下一步的打算——先攻下武乡新城段村镇，再把作战目标转向史泽波，攻打阎军从我军手中夺去的襄垣城。
刘邓首长肯定了李达的设想。邓政委说：“根本问题是抗战胜利果实落到谁手里的问题，蒋介石、阎锡山伸手来抢，决不能让他们得逞。我们已决定打上党！”刘司令员说：“蒋介石的军队沿五条铁路开进，五个爪子伸开向我们扑来了。他们的足球向我们华北解放区的大门踢了过来，我们要守住大门，保卫华北解放区，掩护我东北解放军作战略展开。平汉、同蒲是我们作战的主要方向，现在阎锡山侵占了我上党6城，无疑是在我们背上插一把刀子，芒刺在背，脊梁骨发凉，不拔掉这把刀子，心腹之患不除，怎么放得下心分兵在平汉、同蒲去守大门呢？所以要坚决打下襄垣，在北面打开一个缺口，并就地集结太行军区部队的主力，以便会合太岳军区、冀南军区部队进行上党作战。”
刘邓首长的指示，使李达备受鼓舞。对下一步如何作战，也更加胸有成竹了。
8月25日夜，李达指挥部队继续攻打段村镇。决死第九团成功地打进了城内，歼灭了伪绥靖军第二团团部，伪师长段炳昌见大势已去，带领20多名亲随从地道逃走。
巷战中，部队进攻的道路被城东南角一座古塔上的重机枪封锁，决死第九团请求调炮轰击那座古塔。
李达没有把炮调给他们，而是派人告诉决死第九团的指挥员，不要用炮轰击古塔，要保护古迹，尽可能劝降。战士龚全来和张顺从塔后摸进塔内，高举手榴弹，迫使躲在塔内的敌人重机枪班投降。这座高13层的千佛塔得以保存了下来，至今仍屹立武乡县城中。
至8月26日，城内只剩下日军的指导小队还在城东北角的炮楼中顽抗。决死第九团将其团团包围，但因缺乏重武器而难以接近。李达将安阳战役中缴获的那门山炮调了去，我军炮手抵近射击，一炮就将敌炮楼的顶盖掀上了天。
战士们乘着硝烟未散冲上去，紧贴着炮楼向枪眼里塞手榴弹。日军起初还拼命向外射击，但随着手榴弹的一声声爆炸，炮楼里的枪声逐渐停息了。战士们冲进去一看，几十名鬼子全被炸死。段村镇内的战斗结束了。
负责打援的第十三团固守长庆，与沁县来援的日伪军进行了浴血苦战。
8月25日，沁县日军2个中队、伪军1个团共千余人向长庆阵地冲击十余次，都被第十三团打退。
8月26日凌晨，段村镇守敌行将覆灭，沁县援敌的攻势更加凶猛，阵地几乎被突破。第十三团指战员用刺刀、铁锹、铡刀与敌人拼死搏斗，终于又将敌人压了下去。
此后不多时，援敌得知段村镇守敌已被全歼，灰溜溜地撤回沁县。
段村战斗毙、伤、俘敌千余人，另有伪军千余人在伪师参谋主任张效翰率领下投诚。战斗结束后，李达考虑到下一步上党战役打响在即，急需屯兵之地，便硬着心指示部队连夜挥师南下围攻襄垣。
襄垣是上党6城之一，位于长治以北25公里，是长治通向太原的咽喉。据守襄垣城的，是史泽波所部阎军汾东第一支队、六纵队干训队（相当于营），和史泽波新收编的日伪襄垣警备队、屯留警备队共千余人。虽是杂牌军，仍有阎军善守的特点。
李达指挥太行军区部队第七六九团、第十四团、决死第九团，起义的杨虎城将军旧部第十七师，及襄垣独立营等地方部队，围城数日扫清了外围，于9月1日拂晓用大量黄色炸药炸毁南城门，打开了突破口。黄昏时分部队发起总攻，突进城后又经巷战，午夜12时战斗结束，毙敌350余人、俘敌450余人。阎军少将、襄垣守军总指挥翟大昌，汾东第一支队队长孙士林，日伪襄垣县长张公度，阎军任命的襄垣县长闻家言等均被我军俘虏。攻占襄垣，截断了太原阎锡山总部与史泽波之间的联系，揭开了上党战役的序幕。
襄垣解放后，刘伯承司令员、邓小平政委、张际春副政委都来到襄垣。李达安排他们住进县署东边的寅畏堂。李达怀着激动而又兴奋的心情与他们见了面。他同刘伯承已分别两年，与邓小平也有两个多月未见面了。他向刘邓首长敬了一个标准的军人举手礼。
从这时开始，李达不再兼任太行军区司令员职务，而是回到刘邓部队参谋长的老职位上，重新开始尽心竭力地赞襄军机。李达向刘伯承、邓小平、张际春详细汇报了段村战斗、襄垣战斗的经过和经验教训，特别是襄垣战斗的一些教训。如：战前侦察不够充分；战斗器材准备不足；战斗发起时隐蔽性差，失去突然性；用兵拥挤、招致伤亡增加等等。李达认为有必要下发一个指示，提醒各部队在下一阶段的攻坚作战中注意改进。
刘伯承很重视李达所谈情况，亲自起草了《晋冀鲁豫军区关于上党战役某些战术问题的指示》，于9月5日下发各部队。
9月7日，刘伯承、邓小平下达了《晋冀鲁豫军区作战字第一号命令》。三天后，上党战役正式开始。李达作为刘邓首长的参谋长掌握全面情况，又兼任太行纵队司令员，与刚从延安回来的陈锡联一起，指挥由太行军区各军分区部队合编的太行纵队作战。我军先攻克长治外围的屯留、潞城、壶关、长子，再围打阎锡山派来的彭毓斌部8个师援军，最后追歼了从长治出逃的史泽波部。
至10月12日，上党战役胜利结束，共歼灭阎军13个师、3.5万人，有力地支援了毛泽东主席在重庆与国民党、蒋介石的谈判。李达在协助刘邓指挥上党战役中曾数度亲临一线带兵作战，为战役取得全胜作出了突出贡献。李达曾说：“我是一个参谋长的材料，我能根据任务、敌情、我情、地形、时间设计出四种、五种打法，但最后一拳头，究竟按哪一种打法办，还是要由主官来下决心。”这是他的自谦之词。他任太行军区司令员期间，指挥部队多次打胜仗，就充分说明：他既是一位好参谋长，也是一位好司令员。
