145師的改編從三月下旬下達番號，到五月中旬基本完成，花了近兩個月。
按照國民政府軍事委員會的最新命令，145師將開赴包頭集結整編。這既是國共合作的安排，也是南京方面統籌物資調配的方案——國民黨撥給145師的軍餉和物資需運抵包頭，由部隊自行接收。
撥給的物資計有：法幣二十五萬元，冬常服一萬三千套，棉衣褲一萬三千套，綁腿兩萬六千副，軍鞋兩萬六千雙，水壺與飯盒各一萬三千個，及其他行軍用品若干。另補充步機槍彈藥和手榴彈一批。物資按上報編制一萬三千人配發，至於實際缺額，由部隊自行籌措。
改編工作自三月下旬番號下達，至五月中旬基本就緒，前後近兩個月。
服裝更換、編制調整、軍官任命、裝備調配——千頭萬緒，而145師的兵員分佈在三地：陝北紅八軍團一部，河西走廊東路縱隊一部，察哈爾、熱河的華北抗日聯軍主力。三地相距千里，如何將部隊統一納入一個師的編制框架，要費些思量。
方案最終確定：陝北和河西部隊開赴包頭集中整編；抗聯在熱察地區的部隊就地整編，除更換番號、服裝和稱謂外，對指揮體系進行最佳化，部隊不做調動，繼續在察哈爾、熱河、興安、遼西等地運動作戰。
上報南京的編制是兩旅四團一萬三千人，實際編制則遠不止此數。
四月初，改編全面展開。
陝北紅八軍團一部約八千人從榆林渡黃河，沿黃河北岸西行。這支從黃土高原溝壑間穿過的部隊，翻山越嶺，涉水渡河，五天後抵達包頭。
河西東路縱隊一部約七千人從張掖地區出發，沿河西走廊東進。走過涼州、景泰，過銀川北上包頭，走了十八天。這支部隊經歷過與馬家軍的血戰，軍裝褪色發白，有的戰士還穿著繳獲的馬家軍軍服，顏色雜亂。但他們的眼神裡有一種特殊的堅韌——那是從血火裡淬鍊出來的東西。
物資也同步運抵。李福順從烏蘭巴托調撥彈藥、軍裝——國民黨撥付的並不夠用。高志航等人駕駛運輸機，連續七個夜晚往返飛行，將所需物資送抵包頭。河西部隊攜帶的糧秣、彈藥、藥品也隨部隊一同運到。
五月初，包頭城外的黃河灘上，陸續出現紅軍的身影。
陝北部隊率先抵達，在城西二十里外的荒灘紮營。帳篷綿延數里，戰馬在黃河邊飲水，炊煙在黃昏時分嫋嫋升起。戰士們在灘地操練，步伐整齊，口號嘹亮。河西部隊隨後抵達，兩撥人馬在黃河灘上相遇，互相問候，交換著各自地域的訊息。陝北戰士說起延安的變化，河西戰士說起張掖的戰事。他們來自不同的戰場，卻將匯入同一個番號。
整編隨即展開。
紅八軍團一部與東路縱隊一部合編為第三四四旅。孫玉清任旅長，陳海松任副旅長，陳伯稚任參謀長，曾日三任政訓處主任。八六七團團長陳樹湘、副團長程翠林，三個營長為劉幹臣、孫永勝、王海清。八六八團團長熊厚發、副團長熊德臣，三個營長為朱金暢、劉理運、陳家柱。
部隊統一更換灰色軍裝，調整編制建制，任命軍官，配發裝備。三四四旅上報編制六千餘人，實際兵員一萬兩千人。
師直屬騎兵團早在永昌即已完成改編。馬彪率回民支隊五千騎兵——戰兵三千六百人，輜重兵一千四百人——編為師直屬騎兵團。騎兵團全員回民戰士，擅長騎馬作戰，曾在河西走廊以斷糧戰術擊潰馬家軍，在八盤嶺迫降馬彪本人。如今馬彪已是騎兵團長，他麾下的回民戰士依然保持著那份悍勇。
師部機關約五百人在包頭組建完成。秋成任師長，董振堂任副師長，唐睿任參謀長，黃蘇任政訓處主任，李福順任供給部長。
三四三旅八六五團三營約三千人也開赴包頭整編。嚴鳳才任營長，蔡中任副營長。三營是原紅八軍團二十一師的老底子，戰鬥經驗豐富，是秋成最早帶出來的精銳。
在熱察地區，華北抗日聯軍就地整編。除更換番號和服裝外，對指揮體系進行最佳化——各支隊改為團營建制，明確旅團營三級指揮層級，規範參謀、政訓、後勤等機構設定，統一作戰條令和訓練大綱。
三四三旅由鄧萍任旅長，黃超任副旅長，羅南輝任參謀長，李屏仁任政訓處主任。八六五團團長楊漢章、副團長楊森，三個營長為邵烈坤、曾春鑑、嚴鳳才。八六六團團長黃開湘、副團長徐行德，三個營長為劉雄武、餘澤鴻、徐策。
至五月中旬，145師在包頭集結整編完畢。集結於此的部隊包括：第三四四旅全部約一萬兩千人，第三四三旅八六五團三營三千人，師直屬騎兵團五千人，以及師部及直屬部隊。總計兩萬餘人，戰馬過萬匹，輜重車上千輛。
兩萬餘人、過萬匹戰馬、上千輛輜重車，在包頭城外的黃河灘上綿延數里。穿著統一灰色軍裝計程車兵在灘地上列隊行進，騎兵在黃河邊飲馬，物資車隊停駐在營地邊緣。帳篷連綿，炊煙裊裊，戰馬嘶鳴，口號嘹亮。
綏遠省政府主席傅作義，派第101師師長董其武前來勞軍。
傅作義是晉綏系老將，隸屬閻錫山，主政綏遠。145師隸屬第二十九軍，是國民革命軍，傅作義對這支過境客軍自然要做些表示。董其武攜帶幾十箱慰問品——香菸、白酒、罐頭、餅乾，於五月十五日抵達包頭城外的145師駐地。
董其武騎馬進入營地，眼前的景象讓他愣住了。
他本以為145師集結在包頭的只是師部和少量直屬部隊。但他看到的，是綿延數里的帳篷營地，成隊計程車兵正在操練，騎兵在河邊飲馬，物資車隊一眼望不到頭。
董其武在營地邊緣勒住馬，身旁的隨從也都有些發懵。
一名隨從低聲說：“師座，這兵馬是不是太多了？”
董其武深吸一口氣，調整表情，策馬向營地中央走去。
師部設在營地中央的一座大帳篷裡。秋成和董振堂沒有跟部隊同行，先去了延安，師裡工作由參謀長唐睿主持。
寒暄過後，董其武問出了心中的疑問：
“唐參謀長，貴軍這人數是不是多了些？原以為只是師部在此，這陣仗……”
唐睿笑了笑，端起茶杯喝了一口，語氣輕鬆：“沒辦法。聽說我們要去抗日，陝北民眾和河西民眾熱情得很，非要參軍，還只認我們145師。民心所向，師長就把新加入的戰士編成師直屬部隊了。”
董其武聽了，心中自有掂量。他在軍隊多年，一眼便能看出這些士兵是訓練有素的老兵——步伐整齊，佇列嚴整，身上帶著一股說不出的精悍氣。這樣的兵，比自己部隊裡的強多了。
他識趣地沒有追問，只是連聲應道：“抗聯威望高，合情合理。”
唐睿起身，請董其武參觀營地。三四四旅計程車兵正在灘地操練，騎兵團的戰馬在河邊成排飲啜，物資車隊停駐在營地邊緣，野戰醫院在營地一側搭起了帳篷。董其武一路看著，心中複雜——有震撼，也有幾分說不出緣由的敬畏。
巡視完畢，董其武告辭離去。策馬離開營地時，他回頭望了一眼。黃河灘上，145師的營地綿延數里，炊煙裊裊，戰馬嘶鳴。
五月二十日，145師開始向東開拔。
騎兵團先行，三四四旅殿後。兩萬餘人離開黃河灘，向東行進。進入綏遠腹地後，行軍方式為之一變——化整為零，分散行進，悄然向東。