大行政区政权机关是“人民政府”或“军政委员会”，分别为各该区所辖省（市）高一级的地方政权机关，并为政务院领导地方政府的代表机关。 ［6］（p.144） 大区人民政府和军政委员会并不完全相同。《大行政区人民政府委员会组织通则》规定:“凡军事行动已经结束，土地改革已经彻底实现，各界人民已有充分组织的大行政区，即应实行普选，召开大行政区的人民代表大会，正式选举大行政区人民政府委员会。在大行政区人民政府委员会成立后，军政委员会即宣告结束。” ［6］（p.144） 因此，大区“人民政府”须经民主程序选举产生;“军政委员会”则是在此之前代行人民政府职权的过渡机构。
大行政区人民政府仅建于东北。华北曾于1948年9月建立华北人民政府，于1949年11月撤销，所辖5省2市归中央直属。 ① 大行政区制度建立后，次年9月，中央人民政府增设“政务院华北事务部”，负责联系并指导华北5省及京、津2市工作。1952年4月，撤销华北事务部，成立“政务院华北行政委员会”。11月，各大区人民政府或军政委员会一律改为“中央人民政府行政委员会”，华北与其他大区行政委员会一样，归中央人民政府直属。因此大行政区时期，华北一直未曾设立大区政府一类的政权机关。
东北人民政府前身最早称“东北政联行政委员会”，为东北解放区最高行政领导机关，1946年更名为“东北行政委员会”。1949年8月，东北人民代表会议选举产生东北人民政府，12月经中央人民政府委员会批准正式成立。其体制与机构设置与原华北人民政府略同，置主席1人、副主席3人、政府委员若干人组成东北人民政府委员会，下设民政、教育、财政、工业、商业、农业、交通、公安、卫生、司法、文化等部、财政经济委员会、司法委员会、人民法院、东北银行等。另设劳动局、荣誉军人管理委员会、文物保管委员会、办公厅、外事处、东北科学院（后称中国科学院东北分院）。另在东北财经委员会内设计划委员会。
大行政区军政委员会建于西北、华东、中南和西南4个新解放区。“军政委员会”这个机构的名称，最早由前国民党湖南省主席程潜提出。程潜于1949年6月向中共递交《备忘录》，表示愿谋求湖南局部和平，要求在湘设立由自己领导的“中国国民党湖南人民临时军政委员会”。毛泽东复电同意，随后在致林彪关于和平解决湖南问题的电报中提出，应建立“湖南军政委员会”，以程潜为主席，以中共的人为副主席。 ［7］ 不久，毛泽东致电彭德怀进一步提出，整个西北，地区甚广，民族甚复杂，欲求彻底、健全而又迅速的解决，必须在采用战斗方式的同时辅以政治方式。其办法即为组织“军政委员会”，以为临时过渡机构。 ［8］ 军政委员会从此成为新解放区最高政权机关。至1950年7月，4大行政区军政委员会相继正式成立。
军政委员会作为过渡性机构，不经各该地区人民代表会议选举，由中央人民政府任命产生。由主席1人、副主席若干人、委员若干人组成，一般设民政、公安、财政、商业、工业、农业、水利、交通、邮电、劳动、人事、文教、卫生、司法等部，体育运动、民族事务、人民监察等委员会等。
中央人民政府正式宣布撤销大行政区，是在1954年第一届全国人民代表大会召开前夕。但在此一年多以前，大区性质已发生变化。1952年底，中央人民政府将各大区人民政府或军政委员会一律改为中央人民政府行政委员会，为“代表中央人民政府在各该地区进行领导与监督地方政府的机关”。 ［9］ 大行政区从此不再是地方最高一级政权机构，只作为中央人民政府的派出机关，对地方行使督导之责。新设大区的政权机关也由实级变为虚级。1954年6月，中央人民政府正式撤销各行政委员会，大行政区制度结束。
大行政区时期，全国省级行政区划变化很大。最初划有辽东、辽西、吉林、松江、黑龙江、热河、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、山东、江苏、安徽、浙江、福建、台湾、河南、湖北、湖南、江西、广东、广西、云南、贵州、西康、河北、察哈尔、绥远、山西、平原，以及内蒙古自治区、川东、川西、川南、川北行政区、重庆和西藏地方。1952年撤销平原省和察哈尔省;1954年撤销绥远省;东北合并为辽宁、吉林、黑龙江3省，此外，将川东、川南、川西、川北、皖北、皖南、苏北、苏南行政区，合并为四川、安徽、江苏3省。