1934年（民国二十三年）10月，刘亚楼随红一方面军主力长征，与师长陈光率部担任前卫，多次承担急难险重任务，诸如突破四道封锁线、强渡乌江、进攻遵义、四渡赤水、夺取泸定桥等战役战斗。

1935年（民国二十四年）6月，红一、红四方面军在四川懋功（今小金）会师后，刘亚楼任红1军团第1师师长、红军北上抗日先遣队（又称陕甘支队）第2纵队副司令员。到陕北后，任红1军团第2师师长，参加直罗镇、东征战役。

在1939年，刘亚楼到苏联的伏龙芝军事学院学习，还参加了苏联的卫国战争。抗日战争结束后，他才回国的，他在苏联一共呆了八年，可以说全程错过了抗战，但同时也有收获。经罗荣桓介绍，他到东北担任东北联军的参谋长。林彪亲自出门迎接，说你来了，就抵我三个参谋长。而刘亚楼在苏联学习工作八年，对大兵团的参谋工作得心应手，他一来，就补足东北联军的这一块最大的短板。当时，林彪负责大策略，罗荣桓负责政工，刘亚楼负责具体的落实。三人并称“林罗刘”前两位都是元帅，跟元帅搭档，评个大将是可以的。所以这是民间一直认为刘亚楼可以评大将的原因之一。

在东北他培养和提高参谋人员的业务能力，并组建测绘学校，训练绘制军用地图的专门人才。同时参与组织指挥三下江南、四保临江战役和东北1947年夏、秋、冬季攻势作战。

1948年（民国三十七年），刘亚楼任东北野战军和东北军区参谋长、中共中央东北局委员，协助林彪、罗荣桓组织实施辽沈战役和入关行动。平津战役中，任天津前线指挥部总指挥。战前，多方收集、分析敌情，亲临第一线选择主攻方向，并根据平津前线总前委的意图，提出“东西对打、拦腰斩断、先南后北、各个击破”的作战方针。

1949年初，刘亚楼指挥34万大军以29个小时攻下天津。国民党守军13万人全部被歼，无一漏网。人民解放军缴获各种火炮1163门，轻重机枪5719挺，长短枪52469支，汽车879辆，子弹640多万发及其它大量作战物资，创下了解放军有史以来最漂亮的城市攻坚战。

1950年1月，刘亚楼跟随周恩来访苏商请苏联派出空军部队、协助加强上海等地防空以及帮助组建中国伞兵等问题。[9] 6月，建立中国第一支航空兵部队。7月7日和7月10日，周恩来连续两次召开国防会议，授权刘亚楼改装、训练、接收苏联飞机，组建中国空军。

毛主席为什么调刘亚楼当空军司令呢？主要是刘亚楼在苏联呆过八年，懂俄语，空军的建设又主要靠苏联的帮助。另外，刘亚楼在东北兼任过东北航空学校校长，有工作经验，所以毛主席觉得刘亚楼是个合适的人选。

在抗美援朝中，涌现出了刘玉堤、王海、孙生禄、陈胜全（又名陈海泉）等一批空战英雄，张积慧还打下了远东空军“头号王牌”戴维斯。刘亚楼从一无所有组建空军，到指挥麾下空中战士在朝鲜上空击落一架美军“王牌”战斗机，创造了令人难以置信的奇迹。

而在1965年，刘亚楼被查出得了癌症。在这一年去世，时年才五十岁。可以说是英年早逝，跟另一位大将陈庚一样。如果活得长一点，肯定能做出更大的贡献。

去世后，刘亚楼的葬礼是按国葬的标准来进行的，有十万人前往吊唁，这是很少见的，这应该是所有上将中，葬礼规格最高的一位了。那他的葬礼规格为什么这么高呢？正于国防大学副教授卢勇说：他是元帅的战功、大将的职务、上将的军衔。