Năm 1945, ông là giảng viên và huấn luyện quân sự tại trường Thanh niên Tiền tuyến, trường quân sự đầu tiên do chính phủ Trần Trọng Kim lập.

Cách mạng tháng Tám thành công, do có kinh nghiệm huấn luyện tự vệ thời tiền Khởi nghĩa, ông được cử làm Ủy viên quân sự Nha Trang, Hiệu trưởng Trường huấn luyện quân sự Đồng Đế.

Sau khi quân Pháp quay lại xâm lược, ông làm Chỉ huy phó kiêm Tham mưu trưởng, rồi Chỉ huy trưởng Mặt trận Nha Trang. Chiến sự diễn ra ác liệt, Trần Công Khanh thay làm Chỉ huy trưởng, Nguyễn Thế Lâm làm Chỉ huy phó,[1] Cao Văn Khánh làm Tham mưu trưởng.[2]

Năm 1946, sau Hiệp định sơ bộ, ông được cử làm Trưởng phái đoàn sĩ quan liên lạc của Việt Nam ở Khánh Hòa-Nha Trang.

Sau 7 tuần, quân Pháp phá bỏ đình chiến, đánh bật quân Việt Nam rút về Phú Yên. Quân chủ lực Việt Nam của ba tỉnh Khánh Hòa, Phan Thiết, Ninh Thuận tổ chức thành một đại đoàn-Đại đoàn 27, do Cao Văn Khánh làm Đại đoàn trưởng và Hà Văn Lâu làm Đại đoàn phó.

Đầu tháng 12 năm 1946, Mặt trận Ninh Hòa bị vỡ. Bí thư Xứ ủy Trung Kỳ kiêm Chủ tịch Việt Minh Trung Bộ Nguyễn Chí Thanh triệu Hà Văn Lâu về Huế. Tại đây, ông làm Trung đoàn trưởng Trung đoàn Trần Cao Vân, Chỉ huy trưởng Mặt trận Huế sau đó kiêm Chủ tịch Ủy ban Kháng chiến Thừa Thiên Huế.

Ngày 19 tháng 12 năm 1946, toàn quốc kháng chiến bùng nổ, ông chỉ huy Mặt trận Huế. Sau đó rút quân về xây dựng chiến khu Hòa Mỹ, làm Tư lệnh Mặt trận Bình-Trị-Thiên.[3]

Năm 1949, trên chiến trường chính Bắc Bộ, quân chủ lực mở chiến dịch tấn công vào quân đội viễn chinh Pháp ở các tỉnh Hòa Bình, Phúc Yên, Bắc Ninh, Bắc Giang. Mặt trận Bình-Trị-Thiên mở Chiến dịch phối hợp do Hà Văn Lâu làm Chỉ huy trưởng.

Năm 1951, ông được bổ nhiệm về công tác ở Cục tác chiến giữ chức Cục phó (Cục trưởng Đỗ Đức Kiên). Với cương vị này, ông tham gia chỉ huy chiến dịch đông – xuân 1951 – 1952, chiến dịch thu-đông 1952 và chiến cục đông – xuân 1953 – 1954 với đỉnh cao là chiến dịch lịch sử Điện Biên Phủ. Cấp bậc của ông trong thời gian này là đại tá.