1927年7月，刘伯承辗转来到武汉，临时下榻于汉口国民党四川省党部办事处。他的公开身份是武汉政府委任的暂编第十五军军长，顺泸起义也是要帮国民党建立左派军队，“与川中反动军阀奋斗”，自然不会再有人来找他的麻烦。
顺泸起义虽然最终沦于失败，但毕竟坚守孤城达四十余天，这极大地提高了刘伯承在军界的声望，武汉报纸直截了当地称他为“川中革命军事领袖”。他所下榻的办事处门口整日车水马龙，访者络绎不绝，其中有表示慰问的，也有专程求贤的，有让他回川与四川诸侯合作的，也有想拉他入伙的蒋、汪门客。
刘伯承身穿蓝布长衫，一一笑脸相迎，不过对于凡是让他出山的建议，均以久战之后身心疲惫，急需休养相拒。
刘伯承在随时待命。这时由汪精卫主持的武汉国民政府也开始“分共”，第二方面军总指挥张发奎跟着下达命令，让在他军中的**等共产党员退出军队或脱离共产党。
第二方面军里有许多共产党的秘密组织和左派将领。于是中共中央决定以此为基础，在南昌发动武装起义，并由周恩来负责领导此次起义。
周恩来受命于危难之际，军事上急需一个得力的助手。刘伯承既有丰富的作战指挥经验，又有发动大规模起义的经验，在当时的中共党内尚属凤毛麟角，因此被周恩来一眼相中。
革命战术
尽管蒋、汪都采取了反共立场，但宁汉内部仍然处在对峙之中。继蒋介石“讨伐”武汉政府未果后，汪精卫反戈一击，发起“东征讨蒋”的军事行动，其中唐生智的第一方面军沿长江北岸，张发奎的第二方面军沿长江南岸，分别向南京进击。预定起义的贺龙、**两部均属第二方面军，他们正好利用这个机会，脱离张发奎的掌握，由武汉、鄂东一带向南昌集结。
7月下旬，周恩来、刘伯承到达南昌。刘伯承出任起义军参谋长，负责协助起义军代总指挥贺龙拟订起义计划。
计划很快就写出来了。鉴于**也是南昌起义的组织者之一，周恩来让刘伯承再去征求一下**的意见。
**对刘伯承送来的计划看得很仔细，但是看完之后就立即把计划书还给了刘伯承，而且自始至终都没有说一句话。
此前刘伯承并没有见过**，只知道对方是打下过武昌城的北伐名将，他对**做事的习惯方式完全不了解，当然也不明白**为什么一言不发——如果对计划不满意，可以当面指出来呀。
这是刘伯承第一次担任幕僚长，又是为如此重大的军事行动进行策划，内心不免感到忐忑。想来想去想不明白，他只好去问周恩来。
周恩来一听就笑了：“噢，你还不熟悉他。他就是这个样子，要是不说话，就是表示赞成。”刘伯承这才放下了心。
8月1日，各部按照拟订的计划发动起义，在几个小时之内便完全控制了南昌。起义胜利后，部队领导层重新进行了调整，**出任前敌总指挥，刘伯承出任参谋长，由刘伯承所领衔的参谋团实际上成为了起义军的领导中枢。
一旦有了自己的武装，应该把部队拉往哪里，中共内部展开过讨论。有人主张西退四川，徐作良图。周恩来等人认为不妥，依据是四川军阀力量不容小觑，重庆“三三一”惨案和顺泸起义的失败便是明证。相比之下，广东东江的革命基础较好，而且海口便利，可望在取得苏联的军火接济后发起第二次北伐。
由南昌到东江有两条平行的路线，一条是大路，一条是小路。二者各有利弊，大路所经地区比较富裕，便于部队补充给养，但是对起义军构成直接威胁的敌军也多，发生对抗难以应付。小路多为山路，沿途敌军既少且弱，比较容易应付，而且即便敌军从其他地方增援，山间行军困难，也便于各个击破。
刘伯承主持参谋团会议，最后他根据周恩来的意见，决定弃大路，走小路。
得知所部在南昌发动起义，张发奎赶紧召集幕僚商议追击起义军的问题。张发奎的参谋长叶剑英是秘密党员，他看透了张发奎其实是想借机回广东和李济深争夺地盘，于是就“献策”说：“让共产党去占领东江，李济深就要调兵去打，这时我们就可以乘虚而下广州。”
张发奎采纳了叶剑英的意见。他装模作样地对起义军追了一下，然后“嗣忽分途”，自顾自地往广州去了。在没有追兵的情况下，起义军得以集中全力对付前方的堵截部队。
李济深兵分三路进行堵截。乘右路钱大钧的兵力尚未完全集结，起义军以数倍于敌的兵力优势，对敌军所设防的壬田、瑞金发动攻击。
在进攻战上，包括**、刘伯承在内，起义军将领们所熟悉的仍然是北伐时期的“革命战术”，即长驱直进和夺取城市，而且作战过程中，血气之勇的硬拼要远多于避实击虚的巧斗。
进攻壬田时，负责迂回的**部尚未到达，主攻的贺龙部即从正面进行冲击。虽然敌人被冲垮了，壬田、瑞金也都拿下了，但并没有歼灭敌人，残余敌军又由瑞金退往了会昌。
攻克瑞金后，起义军查获了一份敌军文件，得知会昌屯集着敌军重兵，并有攻击起义军的计划。会昌在起义军身后，不破会昌之敌，起义军就会有后顾之忧。刘伯承认为应该先打会昌，然后折回瑞金，再转道进入东江。他的这一建议在参谋团会议上得到了一致通过。
这次会昌大战，一开始也颇不顺畅。贺龙的部队被留在瑞金做总预备队，导致前方兵力不足，难有建树，而总预备队实际也没派上什么用场。
二攻会昌，刘伯承随周恩来赶到**部队进行指挥。此时**部队共辖两个师，其中的第二十五师夜间行军走错了路，耽误了到达会昌的时间，第二十四师独木难支，攻击一度受挫。
**非常着急，专门派了一名参谋在路上等候，第二十五师一到会昌城下，师长周士第就立即被领进了指挥部。
**介绍完敌情后，转向指挥部南面，指着一处叫寨的要点说：“那座山上都是敌人占领的，我们没有部队在那一面。”刘伯承接着强调：“这座山上的敌人是后来才发现的，如果不把它打掉，它就会抄我们的后路哩！”说到这里，他抬手在寨到指挥部之间画了一道弧线。
周士第顿时明白了拿下寨对全局的意义，他马上率领两个团向寨发起猛烈攻击。
分兵
第二十五师由**独立团发展而来，是北伐战争中的铁军，官兵能征善战。经过他们的勇猛冲杀，敌军在寨的主阵地被一举攻破。
攻克寨成为了会昌大战的转折点，8月30日，起义军拿下了会昌城，钱大钧率残部落荒而逃。
虽然大获全胜，但二攻会昌还是没能避免“革命战术”的问题。整个战斗过程，贺龙部队都未加入，基本是靠**部队在孤军奋战，最后的结果也仍然只是击溃战，而非歼灭战。
对起义军这种无后方的作战部队而言，打击溃战实际是个“歼敌一千，自损八百”的买卖，并不划算。**部在攻会昌时，伤亡了约一千人，贺龙部也伤亡了七百人，其中多数都是冲锋在前的党员和骨干。
南昌起义时，大家已感到党内缺乏军事骨干，经过这几次伤亡，更感到缺乏万分，可又无法及时进行补充，只能寄望于到东江后再想办法。
刘伯承很注意收集和研究敌方情报资料。攻入会昌后，他对敌军遗留的文件和报纸进行了认真翻检。就在翻检过程中，一个极其重要的线索映入了眼帘。
南行路上，因为种种原因，不少人都脱离了部队，其中贺龙的参谋长陈裕新及以下七百人投奔了唐生智。陈裕新为此还发了一份通电，刘伯承在翻检中看到了这份通电，在那上面，起义军南行的目的和进军路线已经完全暴露。
刘伯承立即向周恩来建议召开参谋团会议。会上众人一致认为有改变南行路线的必要，遂决定在返回瑞金后，改经长汀、上杭入东江。
准备出发前，敌军突然进攻会昌，遭到起义军反击后又即行退去。刘伯承认为这是敌军在引诱起义军发动进攻，以延缓起义军到达东江的时间。在刘伯承的建议下，部队未与后面的敌人纠缠，继续向长汀进发。
9月19日，起义军进入汀州，参谋团开会讨论取东江的计划。一部分人主张全力进攻潮汕。理由是潮汕位于滨海地区，其中汕头港可停泊巨轮，另外那一带还爆发过农民暴动。如果起义军攻破潮汕，不仅可获得苏联的军火支援，而且能从当地农民中得到急需的兵员补充。
在东江历来的战史上，各军均重视兴宁、五华，源于两县地形上占优势之故。正好这个时候起义军得到一份敌军电报，说广州方面来的敌军正向河源集中。一些人便主张以主力取兴宁、五华，从而在迎击河源敌军主力时赢得地形上的优势。
参谋团由此分出了“攻兴宁派”和“攻潮汕派”。“攻兴宁派”建议仅以不超过两个团的兵力进攻潮汕，并且预计潮汕守军兵力空虚，小部分兵力即可让其弃城而逃。
“攻潮汕派”则不以为然。他们提出，情报显示兴宁方面并无敌情，以主力取兴宁根本没有必要，更重要的是，以小部分兵力攻潮汕，成功实无把握，万一遭受挫折，起义军的处境将变得进退维谷。
讨论到最后，多数人都倾向和赞同“攻潮汕”。于是起义军指挥部决定除留朱德率二十五师扼守三河坝外，其余主力都用于攻取潮汕，这就是“三河坝分兵”。
起义军大兵压境，潮汕立即陷入混乱状态，加上汕头工农赤卫队的里应外合，潮州、汕头相继拿下。
潮汕属于繁华之地。经过两个月的长途跋涉，起义军早已疲困不堪，多数人一停下来就想休息。按照原计划，起义军在攻取潮汕后，本应马不停蹄地开往揭阳，以迎击由河源来的敌军主力，结果这一计划并未得到坚决执行。
除了休整外，起义军还希望在潮汕补充到大量兵员或得到工农赤卫队的援助。可是当地农民并没能充分发动起来，后来刘伯承曾提到“农民其意重在本乡中寻得土地，愿意从军出征者少”。
已经组成的工农赤卫队十分涣散，别说协同起义军主力作战了，就连袭扰的作用都起不到，甚至于对付地主武装都要靠起义军帮助才能奏效。
在潮汕休整三日后，起义军进行了第二次分兵：由周逸群的第三师警备潮汕，贺、叶两军的主力则向揭阳进发。
与早期作战部队缺乏经验，战略战术明显不够灵活相一致的是，那时候中共的谍报工作也不像后来那样成熟有效。尽管中共中央由上海派到广东去的特工不少，可是起义军沿途所得到的情报，都是靠缴获敌军文件和报纸所得，从特工那里得到报告基本为零。
此外还发生过这样的事：某特工奉命去某地进行侦察，这名特工领了钱却未去，也没有说明未去的理由。最后查出来后，组织上又没有加以处分。
兵法有云，知己知彼，百战不殆。情报在战争中的作用是谁都不敢低估的。在揭阳，起义军指挥部终于接到了一个情报，说有千余敌军集中在汤坑，准备前来揭阳攻击起义军。大家决议后，便决定先发制人，用全力吃掉当前之敌。
做失败时的英雄
孰料好不容易得到的这份情报极不准确，汤坑敌军不是千余，而是两万。起义军方面，“三河坝分兵”先分了一个战斗力较强的二十五师，“潮汕分兵”又分了一个师，潮汕休整时又未能补充到兵员，到汤坑之战时，只能集中和投入六千余人。
在敌众我寡的情况下，起义军未能突破敌军阵地，己方伤亡了近两千官兵，且弹药将尽，无力再战，只得向揭阳、潮汕后撤。
汤坑一战，敌军的损失也相当大，敌方战将黄绍竑事后承认，如果再战半天，他们是不能够支持的。起义军如果没有先前的两次分兵，造成主力分散，胜算应该还要大得多。
因为分兵，起义军反而被敌军各个击破。自主力部队离开潮汕后，驻守潮州的周逸群第三师遭敌两路猛攻，还没等主力退回，潮州城即被攻陷。
南昌起义至此宣告失败。起义军尚存两千多人，其中一部退往海陆丰，另一部由朱德、陈毅率领，转战江西、湖南，后来上了井冈山。
大革命失败了，起义军也失败了，但是陈毅说了一句话：“要受得起失败的考验，做失败时的英雄。”最艰难处显奇才，在这黑暗重重、前途茫茫的时刻，刘伯承和他的同志们一样，需要依靠自己坚强的意志和信念来渡过重重难关。
南昌起义失败后，刘伯承、贺龙按照上级指示乘船向香港转移，然后再从香港转赴上海找中共中央。日后刘伯承接受记者采访，回忆起这一段经历时止不住大声笑了出来——“我跟你讲，那一年我跟贺龙两个逃到香港，很狼狈呢。”
当时船到达香港，两人在下船之前就约好，由贺龙扮主人，他扮作贺龙的仆人，因为贺龙身材较胖，像个主人的样。
上了岸，刘伯承去找旅馆。茶房瞧了他一眼，就把他领到了一间又暗又小的房间里。刘伯承很生气，说你怎么能这样，把我领到这种房间里来。
正发着火，刘伯承往镜子前一站，立即被吓了一大跳：镜子里的人脸又黑又瘦，穿一身既破又脏的旧军服，胡子头发老长老长。
他醒悟过来，为免露出马脚，赶紧对茶房说，自己只是替主人来看房间的，主人是有身份的，你不该这样……
1927年冬，刘伯承前往上海，不久便被派往苏联学习。留学苏联，使得他有机会一边总结失败教训，一边学习当时世界上最新、最好的军事科学。
刘伯承首先就读的是苏联高级步兵学校。入学时，他已经三十六岁，一个中国班三十多人，就数他的年龄最大。这个年纪开始学俄文，自然要比其他年轻的同学困难得多，但对于一个在麻醉药失效的情况下都能咬牙接受眼科手术的人来说，这点困难又不算什么。
