1940年8月20日至12月5日，八路军发动了百团大战。这次战役的总指挥所设在武乡县王家峪村。左权协助彭德怀全力投入作战指挥。
1941年11月，日军第36师团及dú • lì 混成旅团各一部7000余人向黄崖洞进攻，负责保卫黄崖洞的是八路军总部特务团。
左权要求该团在保卫战中“一定要抓住一个‘稳’字，坚持不骄不躁，不惶不恐，以守为攻，以静制动的原则”。
11日凌晨战斗打响。21日乘胜追击的八路军收复了黎城，胜利地结束了黄崖洞保卫战。
此仗日伪军损失2000余人，双方伤亡之比为6：1。
中央军委认为：“这次保卫战是最成功的一次，不仅我受到损失少，同时给了日军数倍杀伤，应作为1941年以来反‘扫荡’的模范战斗。”
1942年5月，日本军队出动大兵团突袭八路军前敌指挥部，左权负责断后。
同年5月25日在山西辽县（现左权县）的十字岭突围战斗中左权不幸以身殉国，时年37岁。
10月10日，公葬左权的仪式在涉县举行，八路军副总司令彭德怀亲笔撰写并手书了《左权同志碑铭》。
左权将军作为军事家，有很高的军事理论水平。
1939年至1941年，左权撰写了《论坚持华北抗战》《埋伏战术》《袭击战术》《战术问题》《论军事思想的原理》等40多篇文章。
另外，1942年左权与刘伯承合译的《苏联工农红军的步兵战斗条令》被第十八集团军（即第八路军）总司令部列为步兵战术教育的基本教材。
百团大战的第三阶段，左权协助彭德怀指挥了关家垴战斗，挫败了日军第36师团冈崎大队，总共500余人，除60余人外，其余均被歼。
此次战役为以后黄崖洞保卫战的胜利奠定了基础。
左权融合了1925年-1927年大革命时代，内战时代及苏联红军最先进的战术，为中国著名游击战术创造人之一。他对于坚持华北敌后抗战，有其永不可灭的功绩。
左权是共产党内军政方面的全才，长征时期máo • zhǔ • xí 称赞左权是“神枪手”。还说“左权他吃的洋面包都消化了，这个人硬是个‘两杆子’都硬的将才。”
而朱德总司令则称左权是“模范军人”，是具有“钢铁般坚强、狮虎般勇猛的优秀将领”、“中国军事界不可多得的人才”。
周恩来在左权牺性后，在《新华日报》上撰文：“左权足以为党之模范”、左权“是一个有理论修养，同时有实践经验的军事家”。
时在八路军总部工作的作家刘白羽在1942年的文章中说：
“在掌控半个中国战场的八路军总指挥部里，左权同志的确是个最繁忙的人，除了重大的事由朱德总司令、彭德怀副总司令决定之外，一般的工作都由他来处理。他的军事理论修养、作战经验、指挥能力，都是我们部队参谋工作中不可多得的人才。”
在长期的革命生涯中，左权有许多不为人知的轶事典故。
1930年春，左权与刘伯承等从东北边境回国。左权与好友刘伯承相约在过境不远的一个小车站上见面。
按照约定，左权来到车站，看到刘伯承后面跟着一个日本密探。他巧妙地用俄语约定到前面的杂货店等他。
待跟踪刘伯承的密探接近时，左权突然急转身将这个家伙撞倒，然后飞快跑进旁边的巷子。
刘伯承也得以脱身闪进杂货店。两人顺利到达了上海。
百团大战前夕，左权一直忙于战斗准备和部署工作，但仍抽空去看望了刘志兰母女。
妻子抱怨他长时间不来看望，左权便自己拿起炕头上的脏尿布到河边洗干净、晾好，又端起碗给孩子喂米汤。
待妻子气消后，他才耐心地解释目前的时局和前线情况，使妻子破涕为笑。
他为妻子安排好去延安的事宜后便返回前线。此后，在百忙当中他常给妻子写信，对自己未尽到丈夫和父亲的职责，请求妻子原谅。
刘志兰在左权牺牲后曾带着深情写道：“想到你那眷眷的难忘的心，使我负疚更深。”
左权回国，他丰富的学识和引经据典，由浅入深的教学方法，深受军校学员欢迎。
在野外教学时，他一面拿着地形图，一面指着地形地貌实地讲解，使学员们理解得快，印象深。
有一次上课讲射击原理，说到弹道的弧形原理时，不少学员理解不了，总觉得子弹打出去应该是一条“直道道”。
左权便举例子：“你们都看过顽童撒尿吧，他那个‘弹道’是一条直线呢，还是弧形的呢？”
通俗的例子把学员们逗得哈哈大笑，疑难问题也就迎刃而解。
左权将军是革命战争年代我军牺牲的职务最高的将领，除了以他的名字将辽县改为左权县外，还于1950年10月21日，左权殉国8年后，灵柩由涉县迁至河北邯郸市晋冀鲁豫烈士陵园。
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