留学期间，他积极参加华兴会的活动。1904年，黄兴于长沙起义失败后逃到上海，11月7日陈家鼎在上海参加了黄兴召集的余庆里集会，策划继续举行起义。后来，因万福华案突然发生，他和黄兴等人陆续流亡日本，继续学业。在日本，他和湖南籍的同学黄兴、宋教仁、陈天华、姚宏业等人在中国留日学生中鼓吹革命，宣传共和。1905年夏，孙中山从欧洲来到日本，创建了中国同盟会，陈家鼎加入中国同盟会，任中国同盟会总部评议员。他还和杨守仁、宁调元创办革命刊物《洞庭波》（后更名为《汉帜》），他任主编。中国同盟会成立后不久，他就被孙中山派