1945年8月，劉亞樓跟隨蘇聯紅軍進入東北地區，並配合蘇軍作戰，這時候距離他離開中國已經差不多有6年之久。
隨著抗戰勝利以後，東北作為全國解放戰略的關鍵地區，黨中央抽掉了各個解放區的主力部隊開赴東北，組建了東北人民自治軍，後又改稱東北民主聯軍。1946年2月劉亞樓調任東北民主聯軍，任職參謀長。
聽說劉亞樓到來，一向不起身迎客的林彪當即起身去迎接，不僅對他的到來表示歡迎，後來還多次表示：一個劉亞樓頂三個參謀長。由此也可見，林彪對劉亞樓的重視
劉亞樓1910年生於福建一個貧苦的農民家庭，母親剛生下他第二天就去世了，由於幼年時家裡貧困，為了生活，父親只好將劉亞樓過繼出去，好在過繼給的這家人發現劉亞樓天資聰穎，寧可自己的孩子吃苦受累，也要供劉亞樓讀書，也就是在這樣的一個環境下，劉亞樓一直讀書讀到了中學，還曾在崇德小學當老師。
不過因為這一時期中國動盪不安，劉亞樓在學校時就接受了革命思想的薰陶，1929年劉亞樓加入中國共產黨，後來在閩西遊擊隊當班長，戰士。直至紅軍長徵結束時，劉亞樓已經升任紅一軍團第2師師長，也正是在紅一軍團任職這段時期，劉亞樓給林彪留下了深刻的影響，1936年6月劉亞樓進入紅軍大學學習，當時紅大的校長正是林彪。
紅軍大學由保安遷到延安以後，改名叫延安抗日軍政大學，劉亞樓畢業以後，經由林彪舉薦任訓練部部長、抗大教育長。1939年劉亞樓被派往蘇聯伏龍芝軍事學院學習，又是林彪舉薦劉亞樓前往。後來林彪負傷以後，也曾短暫前往蘇聯養傷，當時劉亞樓對林彪十分照顧，並且劉亞樓在蘇聯學習期間，克服了俄語這一大難關，因此在生活上，林彪離不開劉亞樓的照顧。
蘇德戰爭爆發之前，林彪曾對軍事行動有過一次精準的評估，後來提交蘇聯當局受到了重視，同樣劉亞樓在蘇聯期間也因為自己的才幹逐漸受到重用，1942年林彪回國，而劉亞樓畢業以後被分配到了蘇聯紅軍中實習，參加了蘇聯衛國戰爭，並被授予少校軍銜。只是劉亞樓始終渴望回到中國，由於蘇聯方面始終不放人，因此劉亞樓的回國之路一再延誤。
據說也有個說法，蘇聯方面曾考慮將劉亞樓一直留下，並且還提出了交換條件，只是後來劉亞樓還是回到了祖國，也正因為在蘇聯工作多年，劉亞樓調任東北民主聯軍參謀長，做了很多有益的工作，劉亞樓負責東野參謀長一職以後，東野發給中央的電文，署名通常都是以「林羅劉」的名義發出去的，劉亞樓成為事實上的東北野戰軍三號人物。
劉亞樓到任東野司令部以後，立刻著手完善司令部的設置，尤其是對於參謀人員的訓練工作，劉亞樓翻譯了蘇聯紅軍《紅軍參謀訓練條例》，然後下發至各個參謀的手中，還建成了測繪學校，使得東野參謀的工作有了很大的提高，並且在這一時期，劉亞樓還兼任了東北航校校長，完善了我軍早期空軍的建設工作。
除了按照上級的命令，配合野司謀劃戰前準備事項外，劉亞樓最值得一提的還是平津戰役時，指揮34萬解放軍，僅用29小時就解放了天津，證明劉亞樓在指揮大兵團作戰中無與倫比的天賦。1949年10月劉亞樓受命擔任空軍司令員。1955年被授予上將軍銜。
事實上也有不少人認為，作為空軍司令員，劉亞樓是有資格授予大將軍銜的，畢竟海軍司令員肖勁光就是大將軍銜，可劉亞樓欠缺在抗戰8年一直待在蘇聯，沒有參加抗日戰爭，而1955年授銜時，各大野戰軍參謀長，大多都被授予了上將軍銜，據說林彪聽說了這件事兒後，還親自給主席寫了一封信，雖然信中沒有提到要求提升劉亞樓軍銜的事兒，但卻指出劉亞樓在紅軍時期做出的貢獻，希望主席能多考慮。
由於長期的工作，劉亞樓的身體也亮起了紅燈，1964年訪問蘇聯時，劉亞樓的身體狀況就有些惡化，當時周圍人都勸說劉亞樓去醫院看病，但考慮到一大堆工作還沒完成，劉亞樓最終拒絕去醫院，後來到醫院去查才發現，劉亞樓的肝病已經相當嚴重，後期已經轉化為肝癌，1965年劉亞樓因病搶救無效去世，享年55歲。雖然劉亞樓僅是上將軍銜，可葬禮的規格卻是按照元帥待遇來準備的。