鲁西，指的是津浦铁路以西，济宁、菏泽公路以北地区。黄河将其分为南北地区。黄河以南，以运河为界又分为运河西、泰山西两部分；黄河以北，划分为鲁西北、运河东南两部分。鲁西地区在第一一五师进入之前，该地共产党组织及其领导的抗日武装已经有了较大发展。
樊坝战斗后，陈光、罗荣桓率东进支队挺进泰西地区。1939年3月10日，部队进抵东平县东北部的夏谢，14日，与山东纵队第六支队、中共泰西特委在东平县常庄会合。此时，中共鲁西区委也移驻泰西。经中共中央北方局同意，到达东平县的第一一五师师部与中共鲁西区党委联合组成鲁西军政委员会，罗荣桓任书记，陈光、王秉璋、黄励、张霖之、赵镈、朱则民为委员，统一领导鲁西地区的抗日斗争。山东纵队第六支队划归第一一五师指挥。
为尽快统一认识，打开抗战新局面，3月20日，罗荣桓在常庄主持召开泰西地区抗日活动积极分子大会，传达学习中央扩大的六届六中全会精神和中共中央北方局关于创建泰西根据地的指示，提出要根据中共中央的战略方针，及时调整战略部署。罗荣桓指出：第一一五师挺进山东的任务，是执行中央战略决策，开展敌后游击战争，建立稳固的山东抗日根据地；在统战工作中，要坚持独立自主原则，瓦解日伪力量，争取中间势力，团结进步力量，打击顽固分子，以达到最广泛地团结一切可以团结的力量之目的；要加强泰西抗日根据地的建设，依托泰（安）肥（城）山区、大峰山区、平（阴）（东）阿山区和东平湖，向四周发展，使泰西抗日根据地与山东各抗日根据地连成一片。
会议结束后，罗荣桓奔赴沂水县王庄，向山东分局和山东纵队传达了中共六届六中全会精神。第一一五师及山东纵队第六支队按照会议确定的方针和任务，迅速投入到创建根据地的斗争中。根据常庄会议决定，第一一五师在泰西地区开始开展统战和建政工作。为协调与友军的军事行动，加强泰西地区的统战工作，4月6日，陈光以东进支队司令员的名义，在肥城县孙西村主持召开泰西军政联席会议。经过协商，会议制定了泰西地区抗日救国共同行动纲领。
5月5日，第一一五师召开泰西地区干部会议，罗荣桓在会上强调：创建泰西抗日根据地有两个基本问题，一是武装问题，二是政权问题。根据罗荣桓的指示，民运工作队、山东八路军各部及泰西地区党政部门积极开展工作，使该地区的党政军群工作都有了长足的发展。
在此前后，第一一五师在地方部队配合下，还转战泰西、运西广大地区，打击了日、伪军。
3月中旬，第一一五师在汶河以南，连续拔除宁阳县葛石店、东平县围里等伪军据点，消灭伪军1000余人。3月下旬至4月底，第一一五师在山东纵队第六支队配合下，先后在东平县郑海、肥城县阎王桥、东平县林马庄一带，粉碎日军三次“扫荡”。第一一五师在泰西山区连续打击日、伪军，直接威慑日军占据的战略要地济南和津浦铁路的安全，引起了日军的极大恐慌。5月初，日军第十二军司令官从济南、泰安、滋阳（今兖州）、东阿、汶上等地调集5000余人及伪军一部，分兵九路“扫荡”泰（安）肥（城）山区根据地，企图消灭第一一五师主力和泰西党政军领导机关。5日至7日，日、伪军先后“扫荡”了大汶河南岸的东平和汶上地区。8日，日、伪军开始向宁阳、肥城地区进犯，逐步紧缩包围圈。11日凌晨，第一一五师师部、第六八六团（缺第三营）、津浦支队、山东纵队第六支队等部和中共鲁西区委、泰西特委等党政机关共3000余人，被敌包围于陆房一带纵横不足10公里的地区内。陈光命令部队迅速抢占陆房村周围制高点，凭险据守。各部顽强反击，坚守阵地。当夜，敌收缩兵力，监视被包围的八路军部队行动，企图天明后再次发起攻击。22时许，陈光指挥各部队及机关分路隐蔽突围。至12日晨，各部队及党政机关均从敌军间隙中跳出包围圈，安全转移到东平县东部地区，毙伤日军大佐联队长以下1300余人。陆房突围，粉碎了日军歼灭第一一五师主力部队和鲁西党政领导机关的企图，影响所及，震动全国。蒋介石亦致电朱德、彭德怀，表示“殊堪嘉勉”。这也使蒋介石在事实上承认了第一一五师在山东的合法地位。
5月20日，陈光、罗荣桓指示参谋处处长王秉璋、政治部副主任黄励率领师直机关大部、直属队一部转移至津浦路以东，陈光、罗荣桓率领机关少数人员和特务营二连、骑兵连向东平湖西一带转移，第六支队继续留在泰西坚持斗争。
第一一五师留在运西的杨勇所属部队，分散在寿张、鄄城等县，在地方党组织的配合下，积极开展统一战线工作，发动群众，扩大部队。4月，争取国民党地方实力派郓城县保安副司令祝壁臣部2000余人及汶上县县长白玉璞部、郓城保安队等参加了八路军。7月，部队在迅速发展的基础上成立了第一一五师独立旅，下辖3个团，杨勇任旅长兼政治委员。独立旅在对国民党顽固派进行有力回击的基础上，相继建立了郓城、寿张、巨野、汶上等县的抗日民主政权。7月底，日军调集日、伪军各一部共400余人，从兖州、汶上进至梁山一带“扫荡”。8月2日，第一一五师在梁山附近设伏，将敌围歼。此次战斗，歼灭日、伪军400余人，其中击毙日军少佐大队长长田敏江以下300余人，俘日军13人，创造了八路军部队在敌我兵力相等而装备低劣的条件下，全歼日军1个大队的模范战例，受到八路军总部表扬。梁山战斗的胜利，使第一一五师在鲁西的影响空前扩大，广大人民群众的抗日热情更加高涨，仅梁山周围和东平湖畔就有3000多名群众报名参军。至此，运西、泰西抗日根据地连成一片。
梁山战斗后，日军集中5000余人，对运西地区进行报复性“扫荡”。第一一五师独立旅利用“青纱帐”与敌周旋达1周之久，粉碎了敌人的“扫荡”。
8月下旬，鲁西军政委员会在东平湖的小安山召开会议，研究创建平原抗日根据地的问题。罗荣桓在会上阐述了创建鲁西平原根据地的必要性和可能性。他指出：平原虽无山地作屏障，但有成千上万的民众，动员起来的广大民众，是抵御日本侵略者的人山人海，是一道坚不可摧的铜墙铁壁。只要坚持发动群众，依靠群众，认真改造地形，坚持平原抗日游击战争，建设平原抗日根据地，既是可能的，也是可行的。会议作出了建设平原根据地的决定。会后，第一一五师独立旅即在运西地区依靠乡村抗日民主政权，广泛发动群众开展破路斗争和改造地形，至12月底，巨野、曹县、郓城、寿张、东平等县，除日、伪军据点外，能走汽车和大车的路，大都被挖掘了宽约2.6米、深约1.3米的抗日沟，以阻止日军汽车通行，同时又便于己方部队在沟内隐蔽机动，开展游击战。鲁西其余各县也普遍开展了破路斗争和改造地形的工作。与此同时，茌（平）博（平）清（平）游击根据地及卫河以东之平（原）夏（津）恩（县）高（唐）禹（城）5县区游击根据地也初步建立起来。
为了加强地方武装的领导，鲁西军政委员会于8月决定建立鲁西军区。第一一五师独立旅兼鲁西军区，杨勇兼任司令员，下辖泰西、运西、鲁西北3个军分区。
9月，萧华率东进抗日挺进纵队直属队、第五支队、第六支队一部分由冀鲁边区进入鲁西的运东地区，先后在东阿、茌平、博平、长清一带打击反动红枪会和顽军齐子修部，与当地党组织一起，建立了运东武装工作团和肥（城）（平）阴（东）阿办事处，很快打开了运东地区的局面。1939年11月14日，日、伪军1000余人“扫荡”泰西平（阴）（东）阿山区抗日根据地，遭到鲁西区党委警卫连和东平县独立营的英勇阻击，受到沉重打击。22日，日、伪军1000余人再次“扫荡”泰（安）肥（城）和平（阴）（东）阿根据地。根据地军民与敌激战7天，将敌击退。
1940年3月，冀鲁边军政委员会书记符竹庭率领东进抗日挺进纵队特务营和商河支队的第一、第三大队等部进至鲁西地区。第六支队支队长兼津南专署专员邢仁甫及专署部分人员也随同到达，从而大大加强了鲁西的力量。3月下旬，第一一五师独立旅与东进抗日挺进纵队第五支队支队部及其第五团、山东纵队第六支队等部合编为新的第三四三旅，杨勇任旅长，萧华任政治委员。同时鲁西军区番号撤销。4月15日，重建鲁西军区，萧华任军区司令员兼政治委员。中共中央北方局对鲁西抗日根据地的建设极为重视，7月20日，致信中共鲁西区委：鲁西是联系华北与山东根据地的纽带，是战略上有重大意义的地方，必须经常控制，使之成为巩固的根据地，以打破日军和顽固分子阻断共产党华北与山东、华中联系的企图。为此，鲁西区党委的任务是，加强军队建设、政权建设和党的建设，巩固和发展鲁西抗日根据地，并向南、北两方面开展工作。
1940年6月，日军为摧毁泰西抗日根据地，在根据地周围设了大量据点，并策动、操纵反动会道门在根据地进行暴乱。九十月间，八路军鲁西军区派部队进入平（阴）（东）阿山区，消灭部分伪军，继而南下肥城县，消灭部分反动会道门武装和日军。
在第一一五师于泰西、运西广泛开展游击战争的同时，八路军筑先纵队、第一二九师先遣纵队等在鲁西北地区积极战斗，歼灭了大量日、伪军，巩固扩大了鲁西北抗日根据地。
1939年初，八路军第一二九师先遣纵队、平原纵队、筑先纵队等1.2万余人，在鲁西北地区相互配合作战。1939年5月初，日军调集步骑炮兵2000余人，向冠县、馆陶抗日根据地中心地区进行合击，筑先纵队以营、连为单位分散抗击，充分发挥游击战的优势，跳出敌人的合围圈，主动灵活地歼灭敌人。6月，筑先纵队在冠县桑阿镇打退敌人的多次进攻，毙伤敌100余人。7月6日，八路军总部决定，黄河以北的鲁西北地区（包括运东和卫河两岸地区）的军事斗争归第一二九师领导，筑先纵队归第一二九师指挥。10月1日，赵健民率筑先纵队第三营在冠县城东的陈贯庄袭击日军汽车辎重队，与敌激战竟日，毙伤敌110余人。26日，筑先纵队在莘县俎店毙伤敌110余人。自1940年起，日军开始对鲁西北进行频繁“扫荡”，先遣纵队和筑先纵队进行了艰苦的反“扫荡”斗争。1940年5月，先遣纵队和筑先纵队合编为八路军第一二九师新八旅，张维翰任旅长，萧永智任政治委员。6月，莘县、冠县、堂邑的日、伪军1000余人对桑阿镇周围村庄连续发动5次袭击。新八旅第二十二团政治委员史钦琛奉命率部在朝城以北一带与日军周旋，25日，被日军包围在朝北耿楼。史钦琛率部与敌激战，击毙日、伪军100余人，史钦琛等127名指战员壮烈牺牲。9月，新八旅离开鲁西北，转移到冀南地区。
1939年春至夏，鲁西区委撤销3个特委，先后建立7个地委。1940年初，鲁西已有30多个县、80个区建立了抗日民主政权。1940年4月15日，鲁西各界代表大会召开，决定将鲁西北、泰西两个行政委员会合并，成立鲁西行政主任公署，萧华任主任，段君毅任副主任，下设泰西、运西、运东、鲁西北4个专署。1940年3月至5月，鲁西区各抗日救国总会先后成立，有组织的群众达50多万人。此时，鲁西区党委共辖6个地委、40个县（工）委。至1940年底，运西、泰西、运东、鲁西北各区已经连成一片，形成了统一的鲁西抗日根据地。