在日军频繁“扫荡”的岁月里，他从未放松军事理论和战略战术的研究，写了《战术问题》、《论坚持华北抗战》等40多篇军事著作，还和刘伯承合译《苏联新步兵战斗条令》第一部。周恩来曾称他“是一个既有军事理论修养，又有丰富实践经验的军事家”。1950年《人民日报》发表的《左权烈士传略》中说：“他在战略战术方面的成就，实融会了1925年-1927年大革命时代、内战时代及苏联红军最进步的战术。他是中国著名的游击战术创始人之一。”
1942年2月，日军发动以辽县麻田八路军总部为目标的“扫荡”，他指挥部队打退日军多次进攻。5月，日军纠集3万余兵力，分5路向八路军总部进行报复性大“扫荡”。八路军总部决定首脑机关及后勤部门寻机穿隙转移外线作战。5月25日，八路军总部及各机关人员被日军包围在南艾铺高家坡一线山沟里，情况十分危急。总部分3路突围，他指挥突围战斗，当冲至日军最后一道封锁线时，一颗炮弹在他的身旁爆炸，不幸以身殉国，成为中共在抗日战争中牺牲的最高级别的将领，时年37岁。毛主席起草电文对左权阵亡“殊深哀悼”。朱德总司令赋诗悼念：“名将以身殉国家，愿拼热血卫吾华；太行浩气传千古，留得清漳吐血花。”还称誉左权是八路军最优秀的将领之一，中国军事界不可多得的人才。彭德怀副总司令书写《左权同志碑志》。邓小平、刘伯承著文申称左权是“八路军的杰出领导”。华北军民唱起《左权将军之歌》。1942年9月I8日，晋冀鲁豫边区政府为纪念他，将山西省辽县改名为左权县。在山西省左权县、湖南省醴陵市都建有左权将军纪念设施，在邯郸晋冀鲁豫烈士陵园修建有左权墓和左权纪念馆。毛泽东视察途中曾专程到左权墓凭吊，向左权将军脱帽致敬。
1989年，中共中央军委确认他为33位军事家之一。
