毕业后，历任红十二军第三纵队第一营第二连连长，第一营营长兼政委，红四军第12师第35团政委，红二师政委。参加五次反“围剿”战斗和二万五千里长征，长征中参与指挥红一军团第二师，取得强渡乌江、飞夺泸定桥等光辉战绩。
1936年12月刘亚楼任红军大学训练部部长，后任抗日军政大学教育长。1939年1月进入苏联伏龙芝军事学院学习，参加苏联卫国战争，用名“撒莎”，被授予少校军衔，此期间他对斯大林格勒战役的反攻战术进行了仔细研究，并将作战计划上交给苏联高层，获得苏方重视，被邀他加入苏联国籍，刘亚楼谢绝了；1946年刘亚楼随苏联红军进入东北，5月任东北民主联军参谋长（代号为103），兼任东北民主联军航空学校校长，1948年1月任人民解放军东北军区兼东北野战军第一参谋长，中共中央东北局委员、军委会东北分会委员，同年12月任天津前线指挥部总指挥。先后参与指挥夏季攻势、秋季攻势、冬季攻势、辽沈战役，提出四组一队战术；平津战役期间，刘亚楼指挥第四野战军14兵团解放天津。
1949年，刘亚楼任共和国第一任空军司令，当选为第一、二、三届空军党委会常委、书记。1959年任国防部副部长兼任国防部第五研究院院长、国防科学委员会副主任等职。
刘亚楼是中共第八届中央委员，第一、二、三届国防委员会委员；1955年9月被授予空军上将军衔，获一级八一勋章、一级独立自由勋章、一级解放勋章；1958年11月任空军条令教材编审小组组长，亲自主持编写工作，历时5年，共编写完成条令教材306条。
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