张国焘另立中国共产党中央，红三十军奉命再次南下。1936年6月，红二军团和红六军团到达四川甘孜，与红四方面军会师，7月2日，红二、六军团合并为红二方面军。不久，张国焘同意率部北上。10月，红军三大主力在甘肃会宁会师。红三十军随即奉中共中央军委之命西渡黄河。11月10日，渡河部队编成西路军，红三十军随军行动。1937年4月，西路军溃败，仅红三十军残部约800人在李先念率领下抵达新疆和甘肃交界的星星峡，被新疆军阀盛世才缴械，红三十军番号随之撤销。