十一月上旬，冀南指挥部被撤销，冀南军区正式成立。
新成立的冀南军区，以杜义德为司令员，李菁玉为政委，副司令员王光华，副政治委员马国瑞（兼），副政治委员兼政治部主任刘志坚，参谋长陈明义。各军分区都作了很大调整。
原第七军分区改为第一军分区：司令员白云，政治委员许梦侠，副司令员胡超伦，副政治委员兼政治部主任张希才。辖临清、邱县、馆陶、武训、冠县、莘县、元城、聊堂（聊城、堂邑一部）、清平等九个县和临清市。
原第六军分区改为第二军分区：司令员李定灼，政治委员赵一民，副司令员赵采银，副政治委员王贵德，政治部副主任王大华。辖清河、故城、武城、夏津、恩县、高唐、平原等七个县。
第三军分区：政治委员李福祥，副司令员兼参谋长高厚良，副司令员李大磊，副政治委员甘思和，政治部副主任王谦。辖大名、魏县、成安、临漳、广平、肥乡、曲周、永年、邯郸、鸡泽、磁东（磁县铁路以东部分）等十一个县和邯郸市。
原第二、第四军分区合并为第四军分区：司令员王蕴瑞，政治委员江明（兼），副政治委员乔晓光，副政治委员兼政治部主行贺亦然，政治部副主任冯子华。辖南和、任县、隆平、尧山、柏乡、巨鹿、平乡、南宫、广宗、威县、新河、宁南等十二个县。
第五军分区：司令员刘福胜，政治委员陈登昆，副司令员黄光霞、贾殿阁，副政治委员陈伯禄，参谋长姚凤林，政治部主任訾秀林。辖衡水、冀县、枣强、武邑、阜城、景县、东光（津浦路西区）德县（运河西区）等八个县。
军区机关成立后，首先进行大规模地扩军、建军。冀南原主力部队编入第二纵队后，各军分区又先后充实和组建了自己的部队。有的军分区一两个团，有的两三个团。各县都成立了县大队或独立团。全军区的地方武装迅速发展壮大。
十二月中旬，新成立不久的冀南军区，在威县召开军事部署会议。参加会议的有各军分区司令员、政委，以及各县游击大队的负责人。军区司令员杜义德，在会上首先肯定了日本投降以来，冀南部队在冀南指挥部领导下进行的势如破竹的反攻作战，然后又说：“……不久前，晋冀鲁豫中央局在峰峰召开了第一届扩大会议。会议确定了全区各级领导机构和军区、军分区的组织。会后，刘邓首长发布命令，要求我们迅速肃清根据地的残余伪军据点。冀南部队的任务是攻取衡水、聊城、博平等敌占城镇。具体点说就是：冀南军区部队负责攻打衡水；第二纵队和冀南、冀鲁豫有关军分区部队进行聊城、博平地区作战。为了完成刘邓首长交给的任务，我们冀南军区的几个负责人经过研究，制定出了攻打衡水的作战计划。下面请军区政委李菁玉同志，向大家宣布。”
李菁玉站起身，大声说：“军区决定，第五军分区独立第一团、第二团，第四军分区的第三十二团和第二军分区夏津独立团等四个团，负责夺取衡水城。具体部署是，独立第一团从城东南攻击；夏津独立团从城北攻击；第三十二团从城西南攻击；独立第二团从城东攻击；炮兵负责摧毁南阁上的碉堡和东城门。由杜义德、刘志坚和陈明义亲自指挥。另外，第三军分区部队负责围困和监视永年和安阳地区之敌。”
……
杜义德最后说：“如果没有不同意见，大家就都回去准备吧。”
第二天，各有关部队便开始向衡水城聚集，并很快形成了对衡水的包围之势。
……
日军宣布投降后，衡水县的日伪军都集结于县城、火车站和铁道桥据点内，拒绝向八路军投降。
衡水县游击大队便将火车站和铁道桥炮楼包围。
此时，冀县伪军头子张子耀、武邑伪军头子李德贵、枣强伪军头子刘中正，也都率领伪军残部逃进衡水城，与衡水伪保安队司令戴玉波拼凑起一支反动武装。隐藏在伪军内部的国民党特务雷景龙、韩玉民等人按照******的密令，收买了这支四千多人的伪军武装，将其改编为国民党第十一战区挺进军第五纵队。戴玉波任纵队司令。昔日侵华日军的帮凶，摇身一变，竟成了“国军”。戴玉波投入******的怀抱，公开宣布与共产党对抗到底。
八月下旬，衡水县大队、区小队和民兵，突袭了河西的伪军，毙俘伪军六十多人，然后主动撤出。由此，摸清了伪军的虚实；此时，驻守县城和火车站的日军，既没有阻击县大队，也未救援伪军，而是趁机撤出县城，沿着德石铁路逃向德州。
为了增强包围衡水县城的兵力，冀南指挥部在第五军分区独立第一团的基础上，又于十月上旬在康辛庄村组建了独立第二团，杜濂任团长，刘毅华任政委，何山任参谋长。
十月九日，独立二团便开始围攻城关镇的河西部分。他们通过挖地道炸掉北阁碉堡，战士们冲入问津街，经过激烈的巷战、肉搏战，一举解放了问津街和河西街。歼灭伪军三百多人。为防止伪军逃往德州，衡水县政府组织了两万多民兵，突击挖成了一条总长四公里的弧形围城大沟，并在沟沿上建了几十个碉堡，使城内伪军成了瓮中之鳖。
十一月初，一千多名伪军冲出东门企图向周通村突围。独立二团在作战参谋王广林指挥下，顽强阻击敌人。伪军见难以突破，又向村北迂回突围。独立二团副政委张辛吾率一连狙击，战斗非常激烈，双方伤亡都很惨重。紧要关头，冀南第五军分区独立一团和独立二团的预备连赶到，把突围的伪军打回城内。
十二月上旬，冀南军区决定集中三个军分区四个团的兵力，投入攻城作战。随后，杜义德，刘志坚、陈明义等军区首长亲临衡水指挥作战，指挥部就设在旧城村。
十二月十三日晚，各主攻团进入阵地。各团依照命令，做好了一切战斗准备。
夜间，衡水周围一片漆黑，沉沉的夜幕遮蔽了这座孤城。第五军分区司令员刘福胜，带领副司令员贾殿阁和作战科长张磊，来到独立一团阵地上，现场指挥炮兵摧毁南阁碉堡的行动。刘福胜望着在黑夜中三十米开外，显得有些朦朦胧胧的南阁碉堡，向炮兵连长问：“怎么样？有把握吗？”
炮兵连长说：“我们白天都目测好了。保证把南阁碉堡彻底摧毁！”
“好！”刘福胜高兴地说：“解放衡水第一炮打得好不好，就全看你们的啦！”
……
十四日零点整，总攻开始。独立一团的阵地上炮火齐鸣，炮弹像雨点般砸向南阁碉堡，很快就将其化为乌有。紧接着，独立二团的炮兵又以密集的炮火，将城东门击毁。守城的敌人突然面临如此猛烈的炮火，十分惊慌，立即组织火力封锁这两处前沿。
总攻开始了。指战员们一个个犹如生龙活虎，奋不顾身地往前冲。他们灵活地越过障碍物，冒着枪林弹雨冲进城内。在南大街里，有一股敌人突然从一条小巷里冲出来，拦住了独立一团的去路，战士们立刻与敌人展开了激烈的肉搏。团政委陈飞率先冲进敌群，与敌人拚起了刺刀。……喊杀声、枪炮声、刺刀的撞击声，不绝于耳。战场上充满了血腥，充满了火药味。经过一番惨死的拚杀，敌人渐渐招架不住，开始向后撤退。战士们越战越勇，紧追不舍。……
独立二团首先冲到城中心，包围了戴玉波的伪军司令部。随后，其他部队也都赶到，将敌军司令部团团包围。接着，第五军分区独立二团团长杜濂、政委刘义华、夏津独立团团长马神等几位首长，聚在一起研究对策。大家一致决定，先向里面的伪军喊话劝降。于是，独立二团政委刘义华站在一个敌人枪炮打不到的高处，向敌军司令部里喊道：“伪军弟兄们，整个衡水城都被我们攻克了，就剩下你们的司令部了。希望你们认清形势，不要执迷不悟，赶紧投降吧！”
司令部里一片寂静。停了片刻，才从里面传出一个嘶哑的声音：“我是挺进军第五纵队司令戴玉波。我明确告诉你们，我们决不投降！”
刘义华又喊道：“你们是不是还想等国民党来救你们呢？实话告诉你们吧，那些国民党军被我们打得死的死，跑的跑，都来不了啦！摆在你们面前的只有一条路，那就是缴械投降。现在我给你们一分钟的考虑时间。如果再不投降，我们就开炮啦！”
司令部里仍然是一片沉静，什么声音也没有。
一分钟后，从高处走下来的刘义华大声传令：“开炮！”
只听“轰隆隆”几声巨响，敌军司令部内腾起股股浓烟，房屋被炸塌数座。里面的伪军连滚带爬地跑出来，大声喊着：“别打了，别打了，我们投降。”戴玉波等反动头目见大势已去，只得也乖乖地举起双手，走出司令部。
十四日拂晓，八路军占领了衡水县城。衡水解放后，冀南、冀中两解放区连成了一片。
随后，冀南独立第四旅在衡水宣告成立。旅长孙仁道，政治委员杨树根，副旅长田厚义，参谋长王树棠，政治部主任李福尧。下辖三个团：第十团，由夏津独立团改编而成；第十一团，由第五军分区独立第一团改编而成；第十二团，由第四军分区第三十二团改编而成。
