1932年10月，第四方面军主力向平汉铁路以西转移时，他指挥所部迭挫追堵之敌，挺进大巴山，抢占两河口，为四方面军打开入川门户。1933年7月任第31军军长。1934年任第四方面军副总指挥，在参与指挥川陕苏区反“三路围攻”之后，执行“收紧阵地、诱敌深入”积极防御的战略方针，指挥12个团在西线有力地抗击了敌军的进攻，后协助总指挥徐向前指挥全军发起反击，前后鏖战10个月，歼战8万余人，彻底挫败国民党军发动的“六路围攻”。1935年3月，参与指挥嘉陵江战役后参加长征。1936年10月，中央军委命令第四方面军一部西渡黄河。1937年3月，西路军在河西走廊失败后，率小部队转入祁连山打游击，苦战三个月，部队被冲散，孤身辗转到达陕北。
　　抗日战争时期，历任晋冀豫军区副司令员、代司令员，太行军区副司令员，河南军区司令员，组织地方武装开展抗日游击战争。解放战争时期，历任中原军区副司令员、第1纵队司令员兼政治委员。1946年参与指挥中原突围，率左路军进入武当山区，开辟鄂西北游击根据地，任鄂西北军区司令员、鄂豫军区司令员等职。
　　中华人民共和国成立后，任湖北军区第二副司令员、司令员，中南军区副司令员兼湖北军区司令员，指挥部队清剿国民党残余武装和土匪。1954年任国防部副部长。1955年任人民解放军总军械部部长，致力于改善部队武器装备，加强部队革命化、现代化、正规化建设。同年被授予大将军衔和一级八一勋章、一级独立自由勋章、一级解放勋章。1959年任军事科学院副院长，1972年任军事科学院第二政治委员。是第一届全国人民代表大会代表，第一、二、三届国防委员会委员，中国共产党第八、九、十届中央委员。1974年1月7日病逝于北京。出版有《王树声军事文选》。