1927年4月，潘心源作为正式代表，赴武汉出席中国共产党第五次全国代表大会。会上，他积极支持毛泽东提出的建立农村政权和武装农民的主张。5月，率领近万名浏阳农军会攻长沙，兼任工农义勇队第二纵队党代表。6月，担任中共湖南省委委员、农委书记。9月，参加了毛泽东领导的秋收起义，兼任工农革命军第一军第一师第三团党代表。起义前夕，潘心源和毛泽东同赴铜鼓，直接指挥第三团。途中，在浏阳张坊七溪坳遭到民团团丁扣押，潘心源与团丁周旋，使毛泽东脱险去了铜鼓；他自己被团丁押送浏阳县城，在押送途中设法逃脱。秋收起义失败后，潘心源领导成立浏北游击队，并担任中共湘东特委副书记，参与筹划醴陵农民暴动。1928年冬，被增选为湖南省委委员、农委书记。1929年4月奉命赴莫斯科学习，但因中苏边境紧张，滞留上海；在此期间，以湖南省委委员名义撰写《湘东各县工作报告》。不久任中央巡视员，前往湘赣红军部队传达中共六大决议。