总队改编为蒙旗独立旅，乌兰夫担任该旅的政治部代理副主任，并担任共产党地下党委书记。期间，他坚决贯彻中国共产党抗日救国十大纲领，为这支军队成为当时蒙古族中最大的抗日武装起到重要作用。1938年初，蒙旗独立旅开赴伊克昭盟。5月，蒙旗独立旅改为国民革命军新编第三师，他担任政治部代理主任，共产党地下党委书记，并按八路军建制在部队建立了一整套政治工作系统，开展部队的政治思想工作和地方群众工作，使这支部队在极困难的条件下，长期坚持鄂尔多斯高原的抗日斗争。1939年春至1941年夏，乌兰夫和师长白海风一道指挥部队，多次击退日伪军对伊克昭盟（今鄂尔多斯市）的进攻，保卫了陕甘宁边区的北大门。1941年8月，按照中共中央决定，乌兰夫离开新三师调回延安，任延安民族学院教育长，专心研究民族问题，致力培训民族干部。1945年4月，在中共七大会议上当选为中共中央候补委员。7月，担任新成立的绥蒙政府主席。
抗日战争胜利之际，党中央对内蒙古地区的工作进行新的部署，任命乌兰夫为绥蒙政府主席，率领大批蒙汉干部回到内蒙古地区开展民族自治运动。乌兰夫参与领导内蒙古自治运动，为我国第一个民族自治区的创建作出了历史性贡献。1945年10月，他带领工作组赴苏尼特右旗，积极宣传共产党的民族自治政策，揭露少数人企图搞分裂的阴谋，团结广大爱国青年，迅速解决了“内蒙古人民共和国临时政府”的问题。1946年初，乌兰夫亲率内蒙古自治运动联合会代表团与东蒙古自治政府代表团谈判解决内蒙古地区东西部统一问题，成功地召开了在内蒙古革命史上有着重要意义的“四・三”会议，撤销了东蒙古自治政府，为建立统一的内蒙古自治区奠定了基础。1947年四五月间，他成功地召开“五・一”大会，胜利宣告中国第一个少数民族自治政权―内蒙古自治政府诞生。
1949年9月21日，乌兰夫赴京参加了中国人民政治协商会议第一次全体会议，并在会上作了《在〈共同纲领〉的基础上为建设新中国而奋斗》的发言，被选为中华人民共和国中央人民政府委员和中国人民政治协商会议全国委员会委员。
1949年10月1日，中华人民共和国举行开国大典，乌兰夫参加了开国大典。10月9日，出席了中国人民政治协商会议全国委员会第一次会议，当选为中国人民政治协商会议全国委员会常务委员会委员。10月19日，被推举为中央民族事务委员会副主任委员。
中华人民共和国成立初期，他先后担任中共中央内蒙古分局书记，内蒙古自治区人民政府主席，内蒙古军区司令员兼政委、绥远军政委员会副主席，绥远省军区副司令员，中共中央绥蒙分局书记，绥远省人民政府主席。在此期间，他按照中共中央的既定方针，为内蒙古全区域统一自治而努力工作。1950年1月，中共人民政府政务院总理周恩来在北京召见他和刘春等人，研究内蒙古自治区的划界问题，周恩来总理根据中共中央和毛泽东主席的指示，确定将历史上属于内蒙古的区域划归内蒙古，建立东西部统一的内蒙古自治区，并根据他所提出的“尊重历史，照顾现实”原则和具体建议，初步确定了内蒙古自治区的区域界限以及将归绥市（今呼和浩特市）作为内蒙古自治区的首府。在中共中央和华北局的领导与支持下，经过3年多的不懈努力和做了大量民族政策的宣传教育及细致的协调工作后，中共人民政府政务院于1954年1月28日批准了中共中央华北局提出的“绥远省与内蒙古自治区正式合并，撤消绥远省建制”的建议。1954年3月6日，绥远省、内蒙古自治区正式合并，撤消绥远省建制，原绥远省辖区统一由内蒙古自治区人民政府领导，绥远军政委员会、绥远省人民政府、绥远省各界人民代表会议协商委员会同时撤消。4月25日，经中共人民政府政务院批准，内蒙古自治区首府归绥市正式改用蒙古语原名呼和浩特市（“呼和浩特”蒙古语意为“青色之城”）。至此，以呼和浩特市为中心，东西部统一的内蒙古自治区基本形成。在国民经济恢复的这段时间里，他领导着内蒙古各民族人民，按照中共中央和中央人民政府的统一部署，积极开展了抗美援朝运动、土地改革运动、镇压反革命运动、“三反”“五反”运动，为完成中共七届三中全会提出的为争取国家财政经济状况的基本好转而奋斗的总目标和总任务付出了艰辛的努力，他从整顿旧军队、剿匪除奸、安定社会秩序、稳定边疆国防入手，积极推动农业和畜牧业的发展，并为工业建设的大发展打下了牢固的基础。
内蒙古自治区建立后，他先后担任中华人民共和国中央人民政府委员，政务院委员，国防委员会委员，中央民族事务委员会副党组书记、主任委员，中央民族学院院长、中共中央华北局副书记、华北行政委员会委员，中共中央内蒙古分局书记，国务院副总理，内蒙古自治区党委第一书记、内蒙古自治区人民政府（人民委员会）主席、内蒙古军区司令员兼政委，内蒙古大学校长，中共中央华北局第二书记，内蒙古自治区政协主席。1955年，被授予中国人民解放军上将军衔，是一级解放勋章的获得者。
革命战争、自治运动需要大批民族干部，进行社会主义建设更需要大批各方面的建设人才。1950年，在国家经济恢复时期，他强调要继续
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