1930年夏学成回国，先后任中共中央军事委员会参谋长、长江局军委书记兼参谋长、中央军委委员，协助中央军委书记周恩来处理军委日常工作，举办短期军事训练班，并负责讲授暴动方略、游击战、运动战等课程。
1932年1月前往中央苏区府瑞金，任中央军事政治学校校长兼政治委员。10月任中国工农红军总参谋长，协助朱德、周恩来在前方指挥作战，取得第四次反“围剿”作战的胜利。期间，撰写《现在游击队要解答的问题》、《到敌人后方开展游击战争的几个教训》等，并翻译多篇苏军教材和理论文章，促进了红军干部军事素质的提高。
1934年在第五次反“围剿”中，因反对共产国际派来的军事顾问李德在作战指挥上的教条主义和专横作风而被撤销总参谋长职务，降任第5军团参谋长。
1946年2月，邓小平、刘伯承、薄一波等合影
长征初期，协助军团长董振堂执行后卫任务，掩护中央机关通过国民党军四道封锁线。1934年底复任红军总参谋长，兼中央纵队司令员。
1935年1月指挥先遣部队突破乌江，智取遵义，甩开了敌军主力，使伤亡大半、疲惫不堪的中央红军获得了一次难得的短期休整。遵义会议上，他坚决拥护毛泽东的主张。会后，协助毛泽东等组织指挥了四渡赤水、二进遵义等战役，使部队跳出了敌军包围圈，直插云南北部，并亲率干部团抢占皎平渡，保障全军渡过天险金沙江。5月兼任红军先遣队司令，同政治委员聂荣臻率部进入大凉山，与彝族领小叶丹歃血为盟，使全军顺利通过彝族聚居区。继而指挥所部在安顺场强渡大渡河，打开红军北上的通路。红一、红四方面军会合后，坚决执行中共中央关于北上抗日的方针，在逆境中和朱德一起同张国焘的分裂活动进行了斗争，被张国焘撤销总参谋长职务，降为红四方面军红军大学校长。
1936年10月红军三大主力会师后，任前敌总指挥部参谋长、红军总参谋长、援西军司令员等职。
抗日烽火