军残部被陈济棠缴械遣散，周士第在被强制护送赴广州途中逃离，于1934年2月进入中央苏区，任红军大学军事教员。1934年10月参加长征，任干部团上干队指挥科科长。1935年7月，接替萧劲光任上干队队长。1935年10月，周士第在到达陕北前夕由罗贵波和董必武介绍重新加入中国共产党。1935年11月，周士第任红十五军团参谋长，协助徐海东指挥直罗镇战役和东征战役。1936年1月兼任红军东征河口渡河司令员，同年8月至1937年1月任保安红军大学第二科科长。1936年12月，任红二方面军参谋长兼红二军团参谋长。