调到瑞金红军学校学习。1933年1月，任红五军团参谋长，同年8月获二等红星奖章。10月，调任红五军团十三师师长。1934年10月参加长征，参与湘江战役，12月复任红五军团参谋长。1935年7月21日，调任红四方面军第九军参谋长，因不肯执行张国焘反对毛泽东的路线而遭打压，被调任红军大学主任教员。1936年1月，任红四军参谋长。7月，陈伯钧任红二方面军第六军团军团长，率部到达陕北。
抗日战争时期.抗战爆发后,红六军团与红三十二军合编为八路军120师359旅, 陈伯钧任旅长。1937