李天佑養傷兩個多月，傷愈歸隊後，由特務連連長升任58團副團長。不久，他被調到瑞金中央紅軍學校上幹隊學習。
1933年1月，李天佑學習歸隊，升任58團團長。他指揮全團堅決執行在運動戰中伏擊敵人的作戰方針，常利用根據地群眾關係好、地形熟悉的優越條件，誘敵深入，集中兵力，在內線各個擊破敵人。在黃陂、草台岡戰鬥中，他指揮部隊打得勇猛果斷，戰績突出。在反國民黨第四次“圍剿”中，他領導的58團做出了積極的貢獻。
由於紅軍部隊是在戰爭中組建的，各部隊編製、人員都不統一，建製亂，大小不一，有的軍團下設軍，沒有師，團下沒有營，隻有四個連隊。根據中革委對整編的統一規定，部隊一律實行“三三製”，即軍團下轄三個師，師轄三個團，團轄三個營，營轄三個連。由尋淮洲率領的紅21軍與鄧小平、李明瑞、張雲逸創建的紅7軍合編為紅三軍團第5師，尋淮洲任師長，樂少華、龍騰雲、黃克誠分別擔任師政委、參謀長和政治部主任，下轄第13、14、15團共三個團。李天佑任13團團長，毛畢虎任團政委，盧紹武任團參謀長。
1932年6月，“左”傾錯誤領導者判斷蔣介石與閩、粵敵人有矛盾，決定實施“兩個拳頭打擊敵人”，在“籌款百萬，赤化千裏”的口號下，由紅三軍團和紅五軍團的19師等組成東方軍東征入閩作戰。
李天佑和毛畢虎率13團隨師行動，翻越武夷山，經過一個多星期的長途跋涉，終於進入福建執行東征任務。
在圍攻寧化泉上土堡的戰鬥中，李天佑奉尋淮洲師長之命，率領全團勇猛東插，以迅雷不及掩耳之勢，首先攻占了寧化城，殲敵一個營，為部隊攻克泉上土堡創造了條件。
在芹山與敵人遭遇，隨之，李天佑指揮部隊占領有利地形，與敵展開激戰。這是敵19軍最精銳、最有戰鬥力，號稱沒有打過敗仗的第61師366團，這次卻被李天佑指揮的13團消滅了，創造了紅軍一個團在運動戰中殲敵一個團的戰績，對紅軍是一個很大的鼓舞，在國民黨軍中震動很大。
在戰鬥結束的總結大會上，師政委樂少華還特地趕到13團，代表師黨委和師首長祝賀勝利。軍團首長聽到報捷後，表揚13團“芹山之戰仗打得好！”
後來在軍團召開的表彰會上，為嘉獎13團殲敵一個團的戰績，特授給李天佑團長一枚三等紅星獎章。授予13團“英雄模範團”錦旗。在授旗儀式上，不輕易表揚人的軍團長彭德懷，把19歲的團長李天佑拉到身邊，高興地拍著他的肩膀，說：“小李，別看年紀輕，指揮打仗可真有本事，真是好樣的，以後繼續好好幹！”
東方軍經過朋口、南平、芹山之戰，連連取勝，聲威大振。19路軍經過與紅軍幾次較量，懾於紅軍深得民眾之心和威力，認識到與紅軍對抗沒有出路，隻有“聯共反蔣”才有光明前途！
為反擊國民黨的第五次“圍剿”，保衛中央蘇區，李天佑率13團隨三軍團從福建揮師江西。三軍團與敵人在黎川境內進行了一次激烈的遭遇戰，消滅了敵人一個師。
1934年1月，李天佑升任三軍團5師師長。這時，第五次反“圍剿”作戰正在激烈地進行。這次敵人采用“持久戰”、“碉堡推進，步步為營”的新戰略,在政治上推行“保甲製”和“連坐法”，實行鎮壓與誘騙相結合的政策，在經濟上實行嚴密封鎖等一係列對付紅軍的措施。
中央蘇區“左”傾路線的領導人，仍排斥毛澤東同誌的正確領導，否定紅軍過去對敵鬥爭的正確做法和成功經驗，堅持“左”的一套。紅軍廣大指戰員覺得仗越打越難打。
在高虎腦與敵人血戰中，李天佑指揮部隊連續打了三天四夜，沒有合過眼。他和政委輪流指揮部隊戰鬥，下連隊了解情況、檢查工事，組織優秀射手專打敵指揮官，隨時向前沿補充人員和彈藥，派人向前沿送水送飯……這種“死打死拚”的仗，真是無法打。
高虎腦戰鬥，盡管紅軍殺傷敵五六千人，但紅軍損失慘重。以李天佑領導的5師為例，到瑞金集結時，有的營僅剩十幾個人了。
在第五次反“圍剿”中，許多部隊受到重創，紅軍力量受到很大削弱，為了生存，中央紅軍隻好匆匆離開中央蘇區，進行戰略大轉移。
1934年10月，紅軍反“圍剿”越來越不得法，國民黨軍相繼占領了中央蘇區大片土地，中央紅軍不得不撤出興國等地，先後沿粵、桂、湘邊境向西轉移。
在轉移中，李天佑師長和鍾赤兵政委率5師擔任紅三軍團前衛，從車頭出發，渡過於都河，經新陂、牛嶺，占領古陂，負責掩護軍團主力突破敵人的第一道封鎖線；接著，圍攻汝城守敵，突破了敵人的第二道封鎖線；一路上且戰且走，敵人緊追不舍，李天佑率5師又攻占了良田、宜章，突破了敵人第三道封鎖線。
紅軍是在江西站不住腳情況下轉移的，現在國民黨軍又追著紅軍打，蔣介石是不會看著紅軍從他布下的道道封鎖線逐一突破的，他急調何鍵、薛嶽、白崇禧等部的30多萬兵力，分三路前堵後追，沿湘江兩岸構成第四道封鎖線，妄圖利用湘江作為天然屏障，一舉消滅紅軍在廣西全縣以南和湘江以東地區。
11月27日，李天佑率5師進軍至文市附近，這時天已黑了，正向湘江岸邊推進，突然接到軍團部電報，命令5師14團和15團立即行動，趕往灌陽、新圩一帶，阻擊桂軍，保證右翼的整個部隊的安全，掩護中央縱隊搶渡湘江。電文中，幾乎下了死命令：不惜一切代價，要全力堅持三至四天。
李天佑、鍾赤兵接到命令後，立即指揮部隊，以時間就是生命、時間就是勝利的口號鼓勵指戰員，以最快的速度向阻擊地撲去。
28日拂曉，李天佑、鍾赤兵等帶領14團團長黃冕昌和15團團長白誌文到了阻擊陣地，看地形，部署兵力。阻擊陣地背後十二三裏是新圩，通過新圩再前進七八十裏就是湘江。阻擊陣地前麵是一條經過灌陽的公路，是敵人進至湘江岸邊的必經之路。公路兩側是一片連綿的丘陵地，緊扼公路通道。丘陵地再往後卻是一馬平川。李天佑看後，告訴兩位團長：“我們隻靠這一片丘陵地了，其他無險可守，必須趕快搶修工事！”
戰爭是創造，不是模仿。紅軍戰士要用自己的行動譜寫英雄史。
戰士們正在搶修工事時，敵人先頭部隊已趕到，戰鬥即開始。第一天的戰鬥就打得十分激烈。槍炮聲不斷，敵人飛機在陣地前沿盤旋、掃射、投彈。在濃濃的烈火硝煙中，李天佑不斷接到傷亡重大的消息：14團政委負傷，15團團長白誌文、政委羅元發負傷，犧牲了兩個營長，全團已傷亡500多人。
戰鬥怎麼這麼難打？經查明：李天佑指揮紅5師兩個團，抗擊敵人兩個師另加一個團的輪番攻擊，敵人武器裝備好，且有飛機、大炮支援，後勤供給充足。紅軍經過長途跋涉，在十分疲憊的情況下倉促投入戰鬥，武器差，又沒有什麼工事掩體，全靠勇敢拚殺和丘陵自然地形阻擊敵人。最使李天佑師長痛心的是，在第一天的戰鬥中，傳來了他的好戰友、得力助手、師參謀長胡浚壯烈犧牲的消息。李天佑強忍著悲痛，決心狠狠打擊敵人！
李天佑指揮5師整整抗擊了兩天，中央縱隊還沒有全部通過湘江。眼下，團、營、連指揮員沒有剩下幾個了，滿身血汗，滿身泥土的負傷戰士，不斷地從李天佑身邊抬下去。戰士們已經打紅了眼，一個人倒了下去，另一個人自覺地頂上，始終阻擊著敵人不能通過陣地前的公路，使敵人不解的是，丘陵中的紅軍怎麼是一支打不散、攻不垮的部隊……
新圩阻擊戰的第三天，中央縱隊人員全部從東山裏走到湘江邊，有的走上了浮橋，有的在江中涉渡，幾十架敵機飛得比樹尖高一點，來回掃射、轟炸，許多戰士無力自衛，倒在江水裏，漂在水麵上……湘江啊，自古平靜清澈的湘江，今天卻成了血染的湘江，悲壯的湘江！
經過一次次激戰，經過連續的搶渡，30日，中央縱隊終於從界首渡過了湘江。這是李天佑、鍾赤兵領導的紅5師的英雄們，以自己的血汗和許多戰友的血肉之軀，阻擋了敵人的瘋狂進攻，才使中央縱隊有幸渡過了湘江。
當第2縱隊渡江時，軍團下令李天佑把阻擊敵人的任務交給紅6師，命令他率領紅5師餘下的人迅速渡江西進。
紅5師在三天兩夜的阻擊戰中，各級指揮員幾乎全部非傷即亡，全師3000多人，損失2000多。他們以劣勢裝備和兩個團的兵力，擋住了敵人7個團兵力的輪番攻擊。紅5師的英雄們做到了逐個山頭死守，表現出頂天立地的英雄氣概和大無畏精神，勝利地完成了任務。
部隊渡過湘江後，且戰且走。部隊進入貴州，李天佑患的瘧疾越來越嚴重，沒有藥治，戰鬥、行軍，非常勞累，營養不良，身體骨瘦如柴，行動困難。他被扶上擔架，一會兒冷得牙齒上下格格的響，身子發抖；一會兒又發高燒，熱得如一團火在胸中燃燒。
一天晚上宿營，鍾赤兵下部隊檢查工作去了。師參謀長安排部隊休息後，也到部隊了解情況去了。師部除了患病的李天佑師長外，再沒有其他人了。部隊連續行軍，指戰員十分疲勞，晚上到處一片寧靜。半夜過後，李天佑退了燒，兩耳注意聽外麵動靜，快要天亮時，他突然聽到外麵有幾聲槍響。
“有敵情！” 李天佑立即從床上坐起來，看不到一人，喊也無人答應，他立即抓起電話與部隊聯係，可是電話線已被敵人割斷，無法與團部聯係。李天佑意識到敵人偷襲來了，而且是衝師部來的，他大聲呼叫警衛員。警衛員大概太累了，迷糊了。李天佑大喊了幾聲，才有幾個警衛員衝進師部。
“立即通知直屬部隊，向後山撤退！” 李天佑下命令說。“我們也快走！”他拖著重病之軀，在警衛員的攙扶下，摸黑穿過一片樹林，到了後山一座小山上，觀察動靜。
團部接到敵情後，立即采取了行動。
師政委鍾赤兵和政治部主任江華立即趕回師部。師參謀長也帶領一些人奔回師部。師部幾位領導會合後，交換了意見，到了另一個村子，把衝散的人集中了起來。
很快查明了敵情，原來是一夥土匪來搶錢財的。他們發現紅軍在鎮上購物用了不少銀元，以為這些人很有錢，但他們並不了解紅軍的底細，隻盜走了一些銀元和物資。
當彭德懷軍團長聽說由於部隊警惕不高被土匪偷襲的情況後，生氣地抓起電話，把李天佑大罵了一頓。李天佑開始隻是冷靜地聽著，因為他知道軍團長的脾氣，當他把火發完了，才自我檢查說：“全怪我，是我的錯。”
“什麼你的錯呀！”軍團長心裏非常清楚，他說，“我知道你正在打擺子，發燒，這沒有你的事，我是要你們部隊接受教訓，不要以為敵人一衝就垮了，思想上還要警惕起來！”李天佑表示今後一定要吸取教訓。
1935年1月，李天佑被任命為紅三軍團作戰科科長，在葉劍英參謀長、伍修權副參謀長的領導下，同偵察科科長黃克誠、教育科科長孫毅一起，協助軍團首長管理指揮部隊，先後參加了攻占婁山關，重占遵義，四渡赤水，巧渡金沙江，通過彝族區，飛越大渡河，翻雪山，過草地等戰鬥和行軍任務。
9月19日，部隊到達吳起鎮，在攻打敵騎兵戰鬥中，陝甘支隊2縱大隊長黃珍不幸犧牲，李天佑接任黃珍的職務。11月，改任紅一方麵軍一軍團第10團團長，率部參加直羅鎮戰役。後任2師副師長，參加東征戰役。翌年5月任4師師長，率部參加西征和山城堡戰役，出色地完成了任務。
抗日戰爭爆發後，李天佑率領的紅4師編為八路軍115師343旅686團，他被任命為團長，楊勇任副團長，彭雄為參謀長，符竹庭為政治處主任，率部赴三原集結待命。
從與國民黨你死我活的鬥爭，轉入站在同一個戰壕裏，戰士們都感到有點兒別扭，特別是要戴國民黨軍的帽徽，要佩帶他們的徽章，心裏覺得不是滋味，所以，有許多思想工作和戰前的準備工作要做，李天佑等團領導整天在部隊轉，工作非常忙碌。
在雲陽鎮召開誓師大會後，李天佑接到師部送來的行動命令和行軍路線圖，要他和楊勇率領686團參加第一批東進部隊，渡過黃河，開赴華北抗日前線與日軍作戰。師部命令李天佑、楊勇率686團在老爺廟附近設伏。
9月23日黃昏，在李天佑和楊勇的率領下，部隊出發了。經過連續的急行軍於當夜趕到距平型關大約15公裏的冉莊駐紮下來，進行戰前準備。經過深入細致的思想動員，指戰員明白打好與日軍交鋒後的第一仗的重要意義。大家準備工作做得十分認真，情緒高昂，都寫了決心書、挑戰書，表示要在戰鬥中衝鋒在前，退卻在後，給小鬼子兵一點厲害嚐嚐。
師部命令各團於25日零時向預定設伏地開進，到達指定位置，做好準備待命。離出發還有八九個小時，李天佑和楊勇因忙於戰前準備，有幾天沒有好好休息了，想趁此難得的機會休息一下，布置好值班人員，便躺下休息。也真怪，很困，躺在鋪上卻怎麼也睡不著。楊勇看了一眼輾轉反側的李天佑，開玩笑地說：“都身經百戰了，怎麼還這麼緊張？”楊勇雖然這麼說，他的心情何嚐不一樣，他也睡不著啊！
“倒不是緊張”，李天佑翻過身子麵對楊勇，“咱們這是頭一回與日軍交鋒，別哪兒沒想周到，誤了事！”這倒是向來心細的李天佑的心裏話，“這第一次與日軍交手很重要，我們的勝利會對全國產生影響，所以，千萬不能出任何紕漏！”
李天佑和楊勇又交換了一些意見，想到了一些要注意的事。也許是太累了、太苦了，楊勇說著說著，已聽到李天佑的鼾聲了。很快楊勇也入睡了。兩人的鼾聲越打越大，似乎在比賽，門外的哨兵也分不清是團長還是副團長的鼾聲大，暗自發笑。
夜靜更深，月白風清。神不知，鬼不覺，部隊悄悄出發了。盡管是夜間，行動也要隱蔽，所以，他們選擇走羊腸小道。沒想到，走著，走著，月黑風起，不久便下起了大雨，洪水橫流。部隊沒有雨具，戰士們穿著灰軍裝被雨淋濕了。為了按時趕到陣地，戰士們在崎嶇、滑溜的山路上奮力前進，不顧一切地疾進！前麵的一條山溪，眼看著成了湍急咆哮的河流。為了安全過河，李天佑和楊勇觀察了涉水點後，要求大家把槍和子彈掛在脖子上，大家手拉手地涉水。經過艱苦的行軍，部隊按時趕到了設伏地段。這時天剛拂曉，雨停了，風止了。部隊進入一條山溝隱蔽待命。
潛師遠襲，利在隱蔽。為了使部隊隱蔽好，不讓走動，也不準生火，戰士們身上濕淋淋的衣服全靠自身的熱氣烤幹。大家咬緊牙，忍耐著一切艱辛，戰勝一切困難，隻有這樣，才能戰勝敵人！
李天佑和楊勇伏在一個山坡上，四處觀望，不放過任何敵情。李天佑舉著望遠鏡觀察了一會兒遞給了楊勇。楊勇觀察了一陣後，對李天佑說：“部隊隱蔽得很好，要想捕住狡猾的野獸，就要善於隱蔽好。”他望了一下周圍，接著說：“這兒真是一個伏擊敵人的好地方，你看”，他用手指了指說：“這兒地勢狹長，公路那邊山高坡陡，很難爬上去，我們這麵山低坡小，便於隱蔽，有利於出擊，真是天賜我殲敵的戰場！”
“現在我們已經拉好了網，張好口袋。687團在東側，685團在西側，單等敵人了，到時候，攻擊令一下，他們斬頭砍尾，我們攔腰狠切，鬼子算是死定了。不足的是老爺廟目標太明顯了，不能在那兒埋伏我們的人，隻能在戰鬥打響後，我們再快速地搶占了。”李天佑早已把問題想周到了，對殲敵信心十足。
這時，電話線剛架好，楊勇給各營打了電話，了解情況。各營報來的情況，歸納為一句話：“一切都準備好了，單等一聲令下。”
當上午的太陽升起丈把高的時候，山溝裏傳來了汽車的轟鳴聲，隨著聲音越來越大，隻聽到有人小聲地說了句：“快看，來了！”大夥往遠處望去，隱約地看到100餘輛汽車開來了。汽車越來越近，載著日本兵和物資的車隊在前麵，200多輛大車和騾馬炮隊在後麵，接著而來的是騎兵。車鳴馬嘶，顧盼自雄，忘乎所以，如入無人仙境。隨著車隊越來越近，能看清日本兵身披大衣，頭戴鋼盔，斜背著大槍，嘰裏哇啦的，十分驕橫。
李天佑和楊勇觀察了一下自己的部隊，周圍很平靜。戰士們緊握手中的武器，瞪大了眼睛，看著指揮所方向。蹲在溝裏的戰士仰著頭，生怕聽不到攻擊信號。總之，戰士們都在看動靜，聽攻擊的命令。真是應時對景，操刀必割！
在戰士們的急切等待中，位於石灰溝南山頭的師指揮部，終於發出了攻擊敵人的信號。頓時，埋伏部隊的半邊山嶺，吼聲四起，殺聲震天。槍聲、手榴彈聲、迫擊炮聲，響遍了山崗。各種武器一齊向敵人開火。因為都處在最佳射擊位置，命中率很高，殺傷力極強。在敵人死傷一片中，八路軍指戰員向敵人發起了集團衝擊，從山坡上，樹叢中，公路旁，山穀裏，殺向公路上的敵軍……勢不可擋！
敵人遭到如山洪暴發、泰山壓頂的打擊。日軍沒有想到對手傾巢出動，而且到處是槍林彈雨，到處是硝煙滾滾。日軍士兵哇啦亂叫，東奔西跑，人慌馬驚，亂了方寸。日軍阪垣師團到底是經過嚴格訓練的部隊，知道中了埋伏後，立即組織部隊一麵利用汽車，溝坎頑抗，一麵指揮一部分人搶占老爺廟的高地。
敵人的這一手，李天佑早已想到了，他立即命令3營：“不要怕傷亡，一定要拿下老爺廟陣地！”
“保證完成任務！”3營周海濱營長，不僅回答堅決，而且動作十分迅速，領著部隊飛快地衝出去了。
“老李，你負責這裏的指揮，我跟3營一起去！”楊勇還沒等李天佑的回答，拔腿就向3營衝去。
山溝裏，炮聲隆隆，硝煙彌漫，殺聲震天！李天佑舉著望遠鏡一望，隻見3營官兵迅速地穿行在槍林彈雨中，越過了山溝，衝向了公路，不與公路上的敵人戀戰，看到日軍的好武器也來不及要了，隻顧往老爺廟衝。部隊衝到老爺廟附近就與敵人展開了白刃格鬥。戰士們與敵人扭在一起，隻見槍托飛舞，刀光閃閃，殺聲震耳，殺得大地顫抖，山峰旋轉。八路軍戰士第一次與日軍交手，麵對強敵，毫不畏懼，都以一當十，奮勇廝殺。
“媽的，日軍也是肉長的，一捅就噴血，再捅就玩命！”這是一位講山東口音的大漢，在痛快地殺敵。
戰鬥在激烈地進行。這是血與肉的搏擊，生與死的較量！
在3營向敵衝擊的同時，李天佑命令12連副連長王培根帶領一個排，搶占東麵公路拐彎路旁的一座土地廟，控製了有利地形，阻擊後麵跟進的日軍大車隊。王培根先敵趕到，截住了日軍80多輛大車，將兩頭的大車打癱瘓了，中間的卡在那裏動不了。日軍士兵嘰裏哇啦。鹿死不擇蔭。
李天佑、楊勇指揮的686團的戰士們越打越勇，擊斃、捅死了大批敵人，餘敵棄甲丟械，退回到停放汽車處，有的憑借汽車作掩護，有的躲在車下保命。3營占領了老爺廟，利用有利地形打擊敵人。
楊勇在指揮戰鬥中，突然被敵人擊中左臂，倒在了地上。他奮力想爬起來，可是手怎麼也使不上勁。“首長，你負傷了！”楊勇身後的通訊員驚叫了一聲，立即去攙扶他。
“這點傷算什麼，不要說了！”楊勇要通信員拿出急救包，簡單的包紮了一下，又立即投入指揮戰鬥了。這是他第三次在戰鬥中負傷。
日軍不斷增多，3營傷亡很大，9連幹部大多數犧牲了，全連剩下的人也不多了。李天佑問3營營長楊國夫：“你們怎麼樣？還能打嗎？”
“保證完成任務！”楊國夫的回答堅決有力。
李天佑得知楊勇負傷後十分關心，指示人去把他救下陣地。楊勇堅持負傷不下火線。
戰鬥到下午1時，687團攻過來了。經兩麵夾擊日軍，辛莊至老爺廟之間的日軍很快被殲滅在山穀裏。
經過一天的激戰，幾裏長的公路上血跡斑斑，躺著1000多具血肉模糊的敵人屍體。日軍的戰馬、大車、汽車、大炮及各種軍用物資遍地狼藉。日軍阪垣師第21旅團遭到了毀滅性打擊。師教導大隊隊長彭明治率領學員和老鄉打掃戰場，幹了兩天也沒有把東西搬完。據統計，擊毀日軍汽車100多輛，繳獲野炮1門，炮彈2000多發，機槍20多挺，步槍1000多支，擲彈筒20多個，戰馬50多匹，軍用物資無數，單是軍大衣就夠全師每人一件。八路軍參戰部隊也付出了傷亡1000餘人的代價。
這次平型關大戰的勝利，是八路軍出師華北前線打的第一個大勝仗，也是中國抗戰以來的一個大勝仗，打破了日軍鼓吹的“皇軍”不可戰勝的神話，極大地振奮了全國抗日軍民的勇氣，暫時穩定了華北國民黨部隊潰敗的局麵，增強了抗日勝利信心，提高了共產黨和八路軍的聲望。
1938年2月，李天佑任343旅代理旅長，轉戰呂梁山地區，參與開辟冀西南抗日根據地。5月，赴延安治病。由於戰鬥頻繁，他經常為指揮戰鬥晝夜不眠，患了嚴重的神經衰弱。由於延安醫療條件差，組織上決定把他送去莫斯科治療，然後學習。他於1939年6月到了莫斯科，治了三個月的病，進伏龍芝軍事學院學習。1941年8月，因蘇德戰爭爆發，形勢緊張，他奉命回國。抵烏蘭巴托後因交通受阻，經輾轉到1944年3月才回到延安。他參加了中國共產黨第七次全國代表大會，後隨大部隊到了冀魯豫邊區待命。
1946年1月，李天佑被任命為北滿軍區參謀長。軍區司令員是高崗，政治委員是陳雲。北滿軍區下轄擴編後的山東第7師、陝甘寧第359旅，以及鬆江、合江、北安、嫩江和牡丹江等五個軍分區的部隊。經過充分的準備和多方麵做工作，於4月28日5時，組織指揮部隊進占哈爾濱。
各部按照解放哈爾濱指揮部的統一部署，迅速占領了指定的目標。在部隊進軍途中，隻有在南崗和道外遇到了一小股敵人的抵抗。凡敢於抵抗的敵人，被立即消滅。由於市內地下黨組織工人、市民強有力的支持和配合行動，使哈爾濱比較順利得到了解放。
哈爾濱市解放不久，就撤消了北滿軍區，成立了鬆江軍區，李天佑為鬆江軍區司令員兼哈爾濱市代衛戍區司令員。鬆江軍區下轄合江、鬆江、嫩江，牡丹江和興安6個軍分區，共轄20個縣。
蔣介石在美帝國主義支持下，向東北大量增兵，東北局勢極為嚴峻。李天佑領導軍民既要整頓社會秩序，肅清土匪、鎮壓一切反革命活動，恢複生產，保障供給，使人民生活安定，又要對付國民黨軍隊的進攻，工作十分繁忙。
李天佑團結軍區領導班子，緊密依靠各級黨組織和廣大人民群眾，經過幾個月的清剿行動和發動群眾工作，鬆江軍區境內的匪患基本消除。共產黨組織得到了鞏固和壯大，成為各項事業的領導力量。城鄉廣大群眾廣泛地發動起來，成為穩定社會的基礎。特別是經過開展清算運動，減租減息，發展生產，組織工會和農會，建立民主政權，壯大人民武裝，從而使鬆江軍區所轄各縣成為北滿鞏固的根據地和我軍在東北由北向南發展的基地，有力地支持了南滿我軍粉碎國民黨軍隊進攻的鬥爭。
1946年，對於李天佑來說，繁忙、緊張，不亞於在戰場上同敵人動槍動刀地較量！
1947年1月5日，李天佑率鬆江軍區部隊跟1、2、6中隊一起，借鬆花江千裏冰封的地理氣候條件，冒著攝氏零下三四十度的嚴寒，向鬆花江以南，長春、吉林以北的敵人發起進攻。指揮軍區獨立師在焦家嶺戰鬥中，消滅國民黨軍突圍部隊1000餘人，活捉了敵人一個團長，取得了很大的勝利，戰鬥結束後，又奉命撤回江北駐防。
李天佑隨東北民主聯軍第1縱隊參加了從2月21日至3月1日的二下江南作戰，殲滅國民黨正規軍2800餘人。
國民黨軍調集6個師，由南向北壓過來，妄圖打開小豐滿水電站的閘門斷我後路，聚殲我於江南。為了打擊敵人，3月8日，東北民主聯軍三下江南作戰。李天佑參與指揮的1縱隊，向國民黨軍發起猛烈攻擊，殲滅國民黨軍第88師全部和第87師一部，共7000餘人，有力配合了南滿我軍粉碎敵人的進攻。三次下江南作戰，不僅有力地支援南滿我軍作戰，而且鞏固了北滿根據地。
1947年4月，李天佑調任東北民主聯軍第1縱隊司令員。這時東北形勢跟1945年底和1946年初相比，大不一樣了。東北民主聯軍經過三個月三下江南和四保臨江的作戰，擊傷斃敵1.9萬餘人，俘虜4.4萬多人，收複城鎮11座，打擊和削弱了國民黨軍的有生力量。南滿和北滿的我軍通過緊密配合，對敵人進行南北夾擊，迫使敵人頻繁調動，在首尾難顧的情況下，常被我軍吃掉一部或大部。經過三四個回合的交手，敵人“南攻北守”的戰略方針被粉碎，迫使國民黨軍停止了戰略性進攻。民主聯軍不斷發展壯大，南北滿根據地連成一片，兩地的主力部隊可以會合作戰，東北戰局發生了有利於我軍的巨大變化。我軍在東北已進入從戰略防禦逐步轉入戰略進攻，開始外線作戰，從根本上扭轉東北戰局的關鍵時刻，開始了全線反攻的夏季攻勢作戰。
李天佑司令員和萬毅政委率領1縱隊於5月8日和9日兩天渡過鬆花江，配合兄弟部隊在西線戰場上掃清了長春與四平之間的敵人，直接威脅國民黨軍大本營沈陽。
李天佑又接到聯軍司令部命令，率1縱隊追擊向公懷路逃跑的國民黨軍第71軍88師等部。李天佑指揮部隊勇猛穿插行動，將敵人分成數段，並打亂了敵人的指揮係統，經過近6小時的激戰，殲敵88師大部，殲敵91師一部。國民黨71軍軍長陳明仁率軍部及部分兵力從公主嶺向四平逃遁，他剛剛坐上吉普車，就遭到1縱先頭部隊的襲擊。他的車多處被擊中，司機受傷，警衛員喪命。
李天佑向來有頑強作戰的作風，為了全殲71軍，他命令部隊窮追不舍，在2縱的配合下，一鼓作氣，攻下了公主嶺、郭家店、新老開原等地，殲敵6000多人，敵人占據的長春、四平成了孤島。
東北民主聯軍總部抓住戰機，其中1縱、7縱和6縱的第17師，共7個師加上5個炮兵營的兵力，組成了四平攻城部隊，由李天佑和萬毅統一指揮作戰。這是東北戰場一次大規模地驚心動魄的攻堅作戰。目的是打擊和消滅國民黨軍有生力量。
在兵力部署上，李天佑四個縱隊和一個獨立師置於四平南北和東南，擔任阻敵打援，以確保四平攻堅作戰的勝利。
四平是國民黨遼北首府，東北東部的交通中心，是進入北滿的門戶，戰略地位十分重要，曆來為兵家必爭之地。
李天佑率各縱隊指揮員看了四平的地形，這裏東北郊山巒重疊，西南郊則河道縱橫，地勢險要，易守難攻，誰控製了它，戰局就對誰有利！
國民黨守城部隊是第71軍和第13軍的一個師，加上保安和民團等地方的部隊，由陳明仁軍長統一指揮。陳明仁進入四平後，命令部隊日夜構築工事。工事以軍指揮部為核心陣地，以各部據守點為支線，環繞四平城構築，城防工事相互連通。核心工事內有溝蓋、交通壕、射擊孔，瞭望台等設備。軍指揮所周圍布了幾道鐵絲網、拒馬、鹿砦等障礙物。陣地內設有幾處指揮所、彈藥器材儲存處，還有專門的發電設備。城外也構築了數千個碉堡，挖了數十條交通壕。外壕寬和深均三米左右，溝底設置木樁和絆索，溝外有數道鐵絲網，還有鹿砦等。築起了高厚的城堡，內有輕重武器射擊孔，並有縱深設施。交通要點，主攻方向與容易受到攻擊的地方，均埋了地雷和手拉索雷。城內各支撐點工事已加固，交通阻絕，射擊方麵的障礙物被清除，並做了層層設防。一旦外圍工事被突破，馬上可以利用核心工事和支撐點的工事繼續作戰。國民黨軍在四平城內的主要指揮官，對防禦工事十分滿意。陳明仁等人曾大肆吹噓：“我們有鋼鐵般的核心陣地和堅固的外圍工事，四平是萬無一失的。”國民黨中央社記者們參觀後撰文：“四平固若金湯，加上國軍訓練有素，共軍難越雷池一步，隻能望城興歎！”
李天佑和萬毅率部於6月8日包圍了四平城。部隊一方麵做深入的思想動員，一方麵做攻城準備。
“陳參謀，你帶一個工兵排在這裏修一個指揮所”，李天佑手持一張五萬分之一的軍用地圖，用鉛筆指著一點對參謀陳錦渡說，“下午4點之前完成！”李天佑為了便於隨時了解戰況，掌握戰機，靈活地指揮部隊作戰，把指揮所設在離敵人前沿陣地最近的一個點，就是他剛才用鉛筆在地圖上指的地方。陳參謀一看李司令員在地圖上所標出的指揮所位置，不禁伸了伸舌頭，他深為首長的安全擔心！
陳錦渡立即通知工兵排準備材料，又叫上通信員一起去選擇指揮所的具體位置。他到了實地一看，這裏地勢比較高，視野廣闊，確實是一個觀察戰情、指揮戰鬥的好地方，就是離敵人陣地太近，太不安全了。這時，忽然飛來一發炮彈在不遠處爆炸，一股氣浪把他掀倒在地，腦子被震得嗡嗡作響。他回頭一看，通信員已被彈片擊中，血流滿麵，倒在地上動彈不了，頃刻間，又落下兩發炮彈在附近爆炸。指揮所位置還沒定下來就犧牲了一個通信員。
不久，工兵趕到，一看這地勢和險況，不肯動鏟：“這裏太危險了，我們應為首長的安全著想……”
陳錦渡深知首長的決定是很難改變的，但的確這裏太不安全了，很有必要向司令員請示一下。他殷切地希望首長另選一個地點。
“司令員，那個地方離敵人太近了，工兵同誌擔心首長的安全，不肯動土哇！”陳錦渡找到李天佑，懇切地說。
李天佑聽完報告，焦急地問：“那裏視野怎麼樣？”
“視野倒很好，能直接觀察到1師、2師的突擊地段。”陳錦渡如實地彙報說。
“那就放在那裏，不要再選地方了。參謀長，你說呢？”李天佑更進一步下了決心，但他仍征求身邊李作鵬參謀長的意見。參謀長隻好點頭表示同意。停了一會兒，李天佑又對參謀交待說：“一切都要從方便指揮出發。我們這是第一次打國民黨防禦堅固的城市，一定要打好。我們越靠近前沿，越能直接了解情況，及時處理問題。你趕快去給工兵排講清楚，不要隻從安全上考慮，應該從全局考慮。”
陳參謀立即趕到前沿，給工兵排做通了思想工作。工兵排趕緊搶挖工事。
在構築指揮所過程中，又遭到敵人轟擊，傷亡了三名戰士。值得慶幸的是，下午4點鍾，終於挖好了一條像交通壕一樣的簡陋卻很實用的指揮所。偵察、通信部門的工事修好，李天佑就帶著司令部人員趕來了。李天佑對周圍視察了一番，走到觀察孔前望了一會兒，說：“這裏不錯，蠻好嘛！”
經過一陣戰前準備，至11日，攻城部隊經過四天對敵外圍據點的清剿，攻占了敵人的飛機場。
戰爭，從某種意義上講，是戰爭決策人和戰爭指揮機關的較量。四平守敵妄圖打掉攻城部隊的指揮機關。他們請求從長春派來幾十架飛機，在四平環城10公裏之內，反複進行偵察和有重點地轟炸，妄圖找到民主聯軍的高級指揮所，給以摧毀。敵人認為可疑的地段，用猛烈的炮火來回轟炸，直到他們認為沒有問題了，不可能漏掉了才返回。可是令敵人萬萬沒有想到的是，就在離他們陣地大約300多米的土坡的柳叢下，隱藏著李天佑、萬毅等指揮著千軍萬馬與他們交鋒的共產黨高級指揮員。
13日，天不助我，傾盆大雨下個不停，道路泥濘，難以行動。
不得天時，不可用兵。李天佑命令部隊改為14日20時發起總攻。攻擊方向和目標早已明確：首先殲滅鐵路以西的敵人，再殲鐵路以東的敵人，等炮擊後，集中兵力以西南為主要突擊進攻方向。
14日黃昏剛來臨，四平的西、北、南三麵展開了爭奪戰。攻城部隊集中炮火轟擊西南角，突擊敵人防禦陣地。1縱的1師和2縱在這一方向並肩突擊，戰士們打得十分出色，直向敵陣撲去。2師首先打開了一條200米寬的突破口，部隊在繼續擴大戰果。
李天佑在指揮所聽到西南部隊突破敵陣地的消息後，馬上在地圖上作了標記。他一手拿著蠟燭，一手握著紅藍鉛筆，在光線暗淡的隱蔽所裏忙個不停，剛作了標記，又向7縱打電話：“鄧華同誌嗎？西南方向已經突破，你們那裏的情況怎麼樣？”