“七七事變”后，按中共北方局指示，離開北平到濟南，在國民黨第叁路軍政訓班工作。韓復□不戰(zhàn)而逃后，他參加了徂徠山起義，在第4支隊3中隊當戰(zhàn)士，不久任中隊指導員，以后擔任過教導員、團政治處主任、團政委、旅政委、師政治部主任、師政委、軍政治部主任、軍副政委、軍政委、軍區(qū)政治部副主任、主任、副政委。他在政治思想工作方面卓有成效，而且潛心學習作戰(zhàn)指揮，亦文亦武，軍政全能。

　　1940年3月，魯中八路軍第3次整軍，四支隊的3個營編為四支隊1團，吳瑞林為團長，李伯秋為政委，這個團是魯中地區(qū)的主力部隊。

　　5月日軍來犯，上級命令1團在楊家橫伏擊。當時團長吳瑞林不在，李伯秋擺了個“空城計”，把1營放在西山，把2營放在東山，讓鬼子進莊。日軍進莊后，李伯秋指揮部隊攻擊，給日軍殺傷后，主動撤至西山，待敵退卻時，實施追擊，又殲敵一部。楊家橫戰(zhàn)斗結(jié)束后，日軍大隊長因部隊傷亡過重引咎自殺身死。李伯秋對吳瑞林的治軍和作戰(zhàn)十分服，吳瑞林對李伯秋也很尊重，吳瑞林說：“你是個大學生，是我打著燈籠也找不到的好老師�！眳侨鹆值姆蛉吮蝗哲娮カ@，是李伯秋定計將她營救出獄。魯中軍區(qū)曾認定李伯秋是“托洛茨基分子”，命令吳瑞林把李伯秋抓起來。吳瑞林拒不執(zhí)行命令。他說：“李伯秋是什么人我們最知根底，他絕對不是托派。我團現(xiàn)在不屬于魯中軍區(qū)領(lǐng)導（1940年組建山東縱隊第1旅，四支隊1團編為1旅2團，即著名的“老2團”），我只能執(zhí)行山東縱隊的命令�！北Ｗo了李伯秋。

　　解放戰(zhàn)爭李伯秋去東北。四平保衛(wèi)戰(zhàn)后，7旅政委李伯秋覺得不能一味地消極退卻，得看準機會殺它個回馬槍。旅長曾國華也有同感，接受了李伯秋的建議。部隊在向南開進的途中，發(fā)現(xiàn)敵新6軍一個營在團長的帶領(lǐng)下單獨進駐黑石鎮(zhèn)，是一處比較孤立的薄弱環(huán)節(jié)。

　　曾國華、李伯秋覺得這是殲敵的好機會，縱隊領(lǐng)導決定8旅阻援，7旅攻取黑石鎮(zhèn)。新6軍的這個營，士兵都是抗戰(zhàn)期間應征的高、初中畢業(yè)生，訓練有素，7旅強攻一宿沒有結(jié)果，便沿襲抗戰(zhàn)期間的慣例，拂曉撤出戰(zhàn)斗，白天隱蔽休息。留下最后交替撤退的一個連發(fā)現(xiàn)此時守敵要突圍，立即趁亂突入黑石鎮(zhèn)，殲敵一部，其余逃竄之敵，也被7旅其它部隊殲滅。李伯秋擅長部隊思想政治工作。他所在的部隊開展了群眾性自我進行階級教育的訴苦運動，即“訴苦和叁查”，后來被毛主席命名為“新式整軍運動”，在全軍推廣。

　　訴苦教育最先發(fā)端于3縱7師20團，這個團是魯中軍區(qū)的主力“老二團”，是參加徂徠山起義部隊的基礎。部隊進入東北后，成分發(fā)生了變化，四平保衛(wèi)戰(zhàn)后，逃亡較嚴重。李伯秋主持召開了7師第一屆政工會議，在會上做了《試論階級教育》的專題報告，提出了“吐苦水”、“挖苦根”的初步想法。韓先楚任東北野戰(zhàn)軍3縱司令員，提出奔襲威遠堡，大多數(shù)領(lǐng)導不贊成，縱隊政委羅舜初提出表決，支持韓先楚的只有兩票，其中就有李伯秋。林彪批準了韓先楚的方案，果然打了勝仗。

　　40軍一入朝，軍長溫玉成和李伯秋晉見了彭德懷，按彭德懷的要求，李伯秋架設了一條40軍與總部之間的直線電話。40軍初戰(zhàn)告捷，抓了一些美國兵，李伯秋能講英語，自審問俘虜。

　　李伯秋參加了一至五次戰(zhàn)役、1952年秋季戰(zhàn)術(shù)性反擊、朝鮮西海岸反登陸防御和1953年夏季進攻戰(zhàn)役。

　　獲朝鮮二級國旗勛章兩枚、二級自由獨立勛章一枚。

　　文革時期

　　回國后，李伯秋歷任40軍代政委、政委、沈陽軍區(qū)政治部副主任、主任、副政委。文革期間，李伯秋擔任遼寧省委書記、省革命委員會第一副主任。關(guān)于李伯秋在文革期間的表現(xiàn)，一些資料作過披露：林彪在1967年6月28日指示，大軍事機關(guān)的大院和廣場都要豎立毛澤東像。

　　沈陽軍區(qū)也成立了一個毛主席塑像辦公室。由軍區(qū)司令員陳錫聯(lián)任總指揮，李伯秋負責坐落在沈陽市紅旗廣場的群雕《毛澤東思想勝利萬歲》具體的組織工作。李和伯比較尊重藝術(shù)家意見的。有一次，創(chuàng)作人員考慮到透視的偏差，將毛澤東的一只手做短了些，李看了后覺得不舒服，建議他們還是按正常的比例做。但是，第二大早晨，當創(chuàng)作人員正在按他的意見修改時，李卻突然驅(qū)車來到現(xiàn)場說：“還是照你們的意見做”。當時，還有一些人提出，奪取政權(quán)部分應該從毛澤東領(lǐng)導的秋收起義開始，但李卻還是堅持要從南昌起義開始。

　　1976年，擔任毛澤東聯(lián)絡員的毛遠新一方面在北京活動，同時又不斷地向遼寧發(fā)號施令。李伯秋在抓民兵工作時反復宣講：“現(xiàn)在革命的任務是消滅資產(chǎn)階級，資產(chǎn)階級又在黨內(nèi)，民兵工作的任務轉(zhuǎn)變也就在這里”，“我們民兵工作現(xiàn)在不做好，等到大難、國難臨頭，那就來不及了”。他還指令下屬的公安部門要專門組織人力研究“對黨內(nèi)資產(chǎn)階級實行專政”等問題。張志新一案據(jù)說也是毛遠新、李伯秋親自過問的。

　　批判四人幫時，有的資料稱李伯秋是“四人幫骨干份子”。

　　1988年，李伯秋獲二級紅星功勛榮譽章。