1917年，孙中山在广州建立护法军政府。1917年（民国6年）9月，邵元沖被任命为大元帅府机要秘书，代行秘书长职务。1919年（民国8年）冬，邵元沖赴美国哥伦比亚大学、威斯康辛大学留学，后奉孙中山之命视察海外中国国民党的工作，先后赴美国及西欧的英国、法国等国，并赴苏联学习军事，再赴德国游学。1923年11月，在苏联莫斯科结识正在访问苏联的蒋中正。回国后，邵元沖在1924年1月召开的中国国民党第一次全国代表大会上当选为第一届候补中央执行委员，不久补选为中央执行委员、中央执行委员会常务委员、中央政治委员