因泸州内外交困，刘伯承被迫撤离，辗转前往汉口。1927年7月下旬，刘伯承秘密转赴南昌。8月1日，与周恩来、朱德、贺龙等人发动南昌起义，任起义总参谋长，率部南下。起义军队在潮汕失败后，刘伯承与吴玉章、林伯渠等赴上海。1927年11月，与吴玉章等30人赴苏联学习，先后在高级步兵学校学习。1928年6月，他出席了中共六大。年底，转入伏龙芝军事学院学习。1929年中东路事件期间，刘伯承与叶剑英等人响应“武装保卫苏联”的号召，参与“国际义勇军”，即前往伯力加入“远东工人游击队”，训练部队，与国民政府军张学良部作战