1938年5月，因伤病困扰，李天佑离开自己热爱的战场回延安治疗，年底又奉命到苏联学习，通过在伏龙芝军事学院特别班学习，为他回国后指挥大兵团作战打下了基础。

1943年8月，国内时局转换，中共需要大批军事人才，李天佑化装成蒙古商人，骑着骆驼克服重重困难归国。1944年3月，他刚刚辗转到达延安，就得到毛泽东百忙中接见，并谓：“能让杨勇当你副手，真不简单！先熟悉熟悉延安，有你用武之地！”

“调李天佑任东北民主联军第一纵队司令员；既然是第一纵队，就得拿出‘第一’的样子。”

1945年8月，日本宣布投降时，东北、华北和华东的广大沦陷区，都存在着由谁来接管的问题。依据当时的形势，中共决定争取同蒋介石进行谈判，为中国争得一个光明的未来。毛泽东考虑到谈判将十分艰苦，其中肯定会有一个谈谈打打、打打谈谈的过程，只有打痛了蒋介石，他才有可能让步。一谈到“打”，李天佑派上用场了，毛泽东把他的“用武之地”选在了东北。

1945年9月，李天佑抵达沈阳，很快协助吕正操完成了鞍山、营口地区的设防任务。1946年起，他历任过北满军区参谋长、松江军区司令员兼哈尔滨卫戍区司令员等职，率领松江军区部队参加了“三下江南”战役，共歼国民党军1.6万余人。对于“小老虎”李天佑来说，上述战绩实在不值一提。

1947年5月，东北民主联军司令员林彪发话：“调李天佑任东北民主联军第一纵队司令员；既然是第一纵队，就得拿出‘第一’的样子。”李天佑回话：绝对不负林总重托。

到任后，他利用在苏联所学的战略战术，狠抓部队的战略战术训练，使部队很快学会了大兵团作战。在1947年夏季攻势作战中，他小试锋芒：指挥第一纵队痛歼国民党军第七十军一部，并占领了公主岭等地。