1939年秋，八路军接收了范子侠的部队，改编为八路军平汉游击纵队。这年年底，范子侠加入了中国共产党。
1940年2月，平汉纵队转移至山西武乡一带活动。2月18日，范子侠在八路军总部见到朱德总司令、彭德怀副总司令和左权副参谋长。在第二天下午八路军总部的欢迎会上，八路军政治部副主任傅钟致词说：“范子侠将军高举坚持抗日、团结、进步的大旗，是八路军的亲密战友。”范子侠接着讲话：“同志们，平汉纵队还是一个不满三岁的幼稚的团体，各方面都需要帮助，我们今天到这里来就是向八路军学习的。”
平汉纵队参加这年5月的白晋铁路破击战。战后与八路军的部队合编为八路军太行军区第10旅，范子侠任旅长。
8月，10旅参加了朱德、彭德怀指挥的“百团大战”，担任129师右翼队。大战揭幕的当晚，正太路100多公里炮声隆隆，至深夜东边的阳泉、娘子关，西边的寿阳、榆次，捷报频传。只有中段的桑掌桥敌我仍处于相持状态。凌晨3点，范子侠来到前沿阵地，经过细心观察，他心生一计，便令一排战士穿上日军军装，打着日本旗，很快接近了敌人的碉堡，在距离敌军只有几十米处，范子侠命令把机关炮支在一棵大树下，然后发令：“炮兵——正前方——瞄准——放！”炮弹炸坍了碉堡，部队很快夺取了桑掌桥。
10月已是百团大战的第二阶段。有一天，范子侠率领一个半团的兵力，在榆辽公路寒王镇到弓家岭一带打了一场痛快的伏击战，焚毁日军运输汽车36辆。10天后，10旅参加了关家墒歼灭战，奋战两天两夜，消灭日军冈崎大队400余人。范子侠的手腕在激战中被子弹打穿。他后来回忆说：“反扫荡中，我负了伤，枪弹穿透了手背。这是光荣的纪念标志。伤疤还残存着，看看我的伤疤，感到无限的安慰和兴奋，算是为祖国流了一点血。”
范子侠有一手好枪法，每逢作战，他手执双枪，弹无虚发，敌人闻风丧胆。1941年冬，范子侠率部攻打梅花村敌人据点。据点高且坚固，墙外有一丈多深的水沟，部队两次冲锋都没有拿下据点。战地宣传员进行政治攻势，喊话多次，敌人都不回话。范子侠得知据点里为首者是个姓高的伪军班长，于是高声喊道：“在炮楼上的是高班长吗？我是范子侠，希望你认清形势，放下武器，改邪归正吧！”伪军们一听是范子侠的声音，便放下吊桥缴械投降了。
1941年7月，范子侠作为抗日军人代表被选为参议员，参加了晋冀豫边区临时参议会。在接受《新华日报》（华北版）记者采访时，他充满感情地说：“我被本区抗日军人推选为参议员，今天愿追随各位参议员先生之后，紧握着抗日民族统一战线的光辉旗帜，誓死保卫边区，保卫华北，保卫中华民族。为驱逐日寇，建立新民主主义的新中国而战斗到底！”
临参会开幕这天，正是抗战四周年的日子。范子侠夜不能寐，实在难以抑制内心的激动，他点起油灯，伏案写下《兴奋的回忆》一文。他写道：
一年一度的“七·七”来到了，今年是第五个抗战年度。四周年的战斗生活，回忆起来是颇有趣味而且令人兴奋的。四年来，虽然经过许多沧桑变幻，结论只有六个字：
“真理战胜一切！”
四年来我们把拳头磨练得更硬了。
我是中华民族的儿子，也是党的儿子，没有别的，永远干下去。