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刘亚楼提出的作战方式受到苏军统帅部的关注，接下来的几次战斗证明这种方法切实可行。苏军高层不禁对他刮目相看，多次动员他加入苏联国籍，都被他谢绝了。
1943年夏，刘亚楼被分配到苏联远东军区，在军区机关做见习参谋工作（苏军规定，在苏联服役的外籍军人只能当参谋，不能当主官），同时对“抗联”教导旅（苏联远东军区步兵独立第８８旅）的军政训练进行指导。为使军政训练收到实效，刘亚楼亲自动手，先后编写了《中共党史》、《红军长征史》、《西安事变》、《统一战线中的联合与斗争》、《平型关战斗胜利的意义》以及《中国地形》、《正规战》等教材，并亲自施教，全面提高了干部战士的军政素质。留苏生活中，刘亚楼付出了艰辛，经受了磨炼。
1945年８月８日，苏联政府对日宣战。８月９日凌晨，百万苏军在长达4000余公里的漫长战线上，以迅雷不及掩耳之势，从海陆两方面分四路进入我国东北，向日本关东军发起全线进攻。值得一提的是，由刘亚楼负责训练的“抗联”教导旅组成了四十一支先遣小分队，作为攻击部队的向导，引导苏军进入中国。而在这个旅的朝鲜同志金日成、崔庸健、金策、吴振宇、金一、朴成哲等回国后，均成为朝鲜民主主义人民共和国的党、政军领导人。此时的刘亚楼化名“王松”，随苏联红军回到了阔别８年的祖国。
走马上任
1946年，我东北民主联军经过“四平保卫战”，沉重地打击了敌人，但部队也有较大伤亡。因为没有根据地，加之力量悬殊，我军主动撤出了松花江以南广大地区。６月，根据中央决定，东北局进行了改组。新的东北局在哈尔滨召开了会议，做出了有历史意义的“七七决议”，开始广泛发动群众进行土地改革，组织兵力剿匪，加速了根据地的建设。各主力部队也迅速得到补充与扩大。此时，经罗荣桓推荐，中央军委批准，学成归国的刘亚楼出任东北民主联军参谋长。原参谋长伍修权任第二参谋长，主管军工生产。
刘亚楼上任后便抓紧时间熟悉情况。他感到，虽然我军在抗日战争时期各部队已经有了司令部，但司令部组织机构和业务很简单。当时司令部的干部都是由关内各根据地调到东北的部队临时抽调的，来自五湖四海。他们虽然有工作热情，但思想作风、工作经验均有差异，且普遍业务素质较低，组织很不健全，分工也不明确。司令部机关的几个主要部门特别是情报和通讯基本处于敌情不明、上下不通的状态，工作比较被动。
刘亚楼认为，司令部要适应复杂的战争形势，适应游击战向运动战的战略转变，必须健全组织机构，加强业务建设，提高作战指挥的能力。他首先抓了情报部门的组织充实和业务建设。把关内来的、凡是做过情报工作的干部集中起来，成立了技术侦察部门，加强了司令部的侦察队伍和技术训练。这一手抓得及时，抓住了要害，收到了实效。在以后的三下江南，夏、秋、冬季攻势及辽沈、平津战役中，情报部门能及时提供敌情动向，使各级指挥员能不失时机地指挥部队完成围歼敌人的任务。
同时，他在司令部设军务部门负责兵员补充，装备调配（还监管干部的调配）；设训练部门（当时主管作战经验的收集、总结、推广等）和地图科，在哈尔滨地段街办起了一个印刷厂，很快印出了第一批军用地图下发各级指挥机关。为了加强地图科建设，刘亚楼报总部批准，从部队抽调了一批具有一定文化基础的战士，以从伪满接收过来的技术人员为骨干，在勃利县成立了测绘学校（解放军测绘学院前身），解决了绘制地图的专门人才。
他还狠抓通讯部队建设。当时通讯部队来自全国各根据地，通讯器材、技术人员、报务员严重匮乏，加之现有器材规格不一，人员技术参差不齐，工作纪律也很不严格，直接影响了战场指挥。
刘亚楼知道通讯部门进行了大量的整顿工作，组织新的通讯网络，严肃通讯纪律，根据当时的技术条件，很快建立了一支得心应手的通讯队伍。
与此同时，刘亚楼根据领导层的分工对当时部队的工兵、炮兵、装甲兵、航空兵工作给予指导。他任东北航校校长期间（这时他还兼任俄文学校、参谋学校校长），不等不靠，自力更生，埋头苦干，提出“短小精干，持久延长”的办校思想，为我军空军建设培养了人才，保留了骨干。特别在炮兵建设方面，他全力支持朱瑞司令工作，在炮兵使用和步炮协同作战上花费了大量心血，经他不懈的努力，东北民主联军的炮兵得到迅速发展。
在司令部业务建设方面，刘亚楼为培养充实基层参谋人员，从部队抽调了100名具有高小、初中文化程度的连排干部，连同司令部原有的参谋人员，在哈尔滨连续办了三期参谋集训队，每期六个月，他多次亲自授课。每次学习期满，考试合格发结业证书。这些经过培训的参谋人员，均成为后来部队参谋工作的骨干。
刘亚楼的参谋长工作非常辛苦繁忙，为了弥补学习材料的不足，他利用夜晚休息时间，亲自翻译了俄文版的《红军野战参谋业务条令》，下发到民主联军团以上司令部，参谋人手一册。尽管苏军参谋业务与我军司令部工作不尽相同，但在当时环境下，这部条令对规范司令部业务起到了很大的指导作用。
刘亚楼很注意根据战局发展变化，收集总结参谋工作中出现的问题。有针对性地提出工作意见。司令部机关的工作直接面对首长和部队，责任重大，繁琐细致，对人员素质要求很高。在频繁而艰苦的战争环境下，由于思想工作跟不上，一些司令部机关人员不安心工作，嫌机关发展慢，级别低，要求下部队。个别人甚至说什么“宁为鸡头，不为牛后”。根据这些反映，刘亚楼一方面做思想工作，一方面采取措施注意解决实际问题，保证了参谋人员的相对稳定。
建设有头脑的领导机关
1947年夏季攻势历时50天，东北民主联军歼敌８万余人，收复县城42座，解放敌占区16．6万平方公里，控制铁路线2500公里，使中长铁路陷入瘫痪。东北战场战略主动权发生了转变，但也存在一些问题。为了及时总结经验教训，刘亚楼建议召开了第一次参谋工作会议。刘亚楼主持会议，他充分发扬民主，广泛听取到会同志的批评和建议，然后根据参谋人员反映的“四多四少”（使用多培养少、批评多表扬少，碰钉子多撑腰少，任务多级别少），从思想教育入手，解决实际问题。在他的建议下，师以上司令部建立了直属政治机关（目前我军仍沿用），以加强对参谋人员的思想领导；明确参谋人员的行政级别，以适当提高参谋人员的政治、生活待遇；对一些不重视参谋工作的领导进行了批评。此举调动了参谋人员的积极性，稳定了司令部机关队伍。
随着夏、秋、冬攻势的胜利，东北部队开展了以“五整一查”的新式整军运动。1948年１月，中央军委命令成立东北军区，东北民主联军改称东北人民解放军，刘亚楼被任命为第一参谋长。３月，东北人民解放军召开了第二次参谋工作会议。军区所辖纵队、师两级参谋长及纵队、师司令部作战、侦察、通讯、管理、机要科长近300人参加了会议。刘亚楼对当前的作战特点进行了总结，即：集中行动与作战规模越来越大；攻坚战比运动战增多；战斗的复杂性和技术性增强，战役的空隙时间变短等。以东野总部确定的“大兵团、正规化、攻坚战”为主题，从三方面（情况、任务、几个具体问题的回答）分21个专题做了报告，使各级司令部为今后的作战任务做好充分的精神物质准备。
刘亚楼在日常工作中很注意培养司令部机关的工作作风。他强调工作效率，厌恶办事拖拉，要求各部门做到“今日事今日毕”，对部队提出的问题要有问必答。作战指挥部门要密切协同，尽量减少工作环节上占用过多的时间。通过严格管理，“东野”机关形成了良好的工作作风。首长下达命令，作战部门在起草文件的过程中就通知机要部门做好译电准备；机要部门当即通知电台沟通与有关部队的联络。在大兵团的运动战中，上级命令能迅速传达到部队，对捕捉战机、保证战斗胜利是至关重要的。
在战斗、战役最紧张的时候，刘亚楼将司令部有关科长派到首长处值班，以便及时掌握情况，增加工作主动性。他还非常注意及时地向有关方面通报战况，以取得各方的配合与支持。当时东北局在哈尔滨，“东野”司令部在双城，刘亚楼要求作战部门每天必须将战况和首长作战意图复写后送东北局和政治部主任谭政，使各方面工作都能与前线密切配合。
刘亚楼在部队建立了正规的报告制度。每到一地必须报告自己的位置和当前的情况。他要求司令部作战部门必须做到对每个部队（当时要求到师和个别执行重要任务的团）的时间、地点、在做什么要随时掌握，否则就是失职。因此，参谋人员把部队位置及时标到“东野”作战指挥用的地图上，做到有问必答。由于我军由长期的游击战争环境转换为大兵团运动战，一些部队难改游击习气，开始有不少人对这种报告制度很不习惯，部队情况