军主力西入四川，参加了解放通南巴（通江、南江、巴中）的作战和川陕苏区反“三路围攻”的作战。1933年7月，他任红三十军军长，参加了仪南战役、营渠战役、宣达战役和反“六路围攻”的作战。1935年，他调任红三十一军军长，参加了广昭战役、陕南战役、嘉陵江战役。长征途中，他参加了绥崇丹懋战役等战役。1936年1月，他调入红四方面军红军大学学习，并兼任高级指挥科科长。在红军大学学习期间，余天云目空一切，顶撞校长刘伯承，为此受到张国焘处理。1936年4月，他在随部队转移途中，在西康省丹巴县（今属四川省）渡河时投河自