1927年7月，劉伯承輾轉來到武漢，臨時下榻於漢口國民黨四川省黨部辦事處。
他的公開身份是武漢政府委任的暫編第十五軍軍長，順瀘起義也是要幫國民黨建立左派軍隊，"與川中反動軍閥奮鬥"，自然不會再有人來找他的麻煩。順瀘起義雖然最終淪於失敗，但畢竟堅守孤城達四十餘天，這極大地提高了劉伯承在軍界的聲望，武漢報紙直截了當地稱他為"川中革命軍事領袖"。他所下榻的辦事處門口整日車水馬龍，訪者絡繹不絕，其中有表示慰問的，也有專程求賢的，有讓他回川與四川諸侯合作的，也有想拉他入夥的蔣、汪門客。
劉伯承身穿藍布長衫，一一笑臉相迎，不過對於凡是讓他出山的建議，均以久戰之後身心疲憊，急需休養相拒。
劉伯承在隨時待命。這時由汪精衛主持的武漢國民政府也開始"分共"，第二方面軍總指揮張發奎跟著下達命令，讓在他軍中的葉挺等共產黨員退出軍隊或脫離共產黨。
第二方面軍裡有許多共產黨的秘密組織和左派將領。於是中共中央決定以此為基礎，在南昌發動武裝起義，並由周恩來負責領導此次起義。
周恩來受命於危難之際，軍事上急需一個得力的助手。劉伯承既有豐富的作戰指揮經驗，又有發動大規模起義的經驗，在當時的中共黨內尚屬鳳毛麟角，因此被周恩來一眼相中。
儘管蔣、汪都採取了反共立場，但寧漢內部仍然處在對峙之中。繼蔣介石"討伐"武漢政府未果後，汪精衛反戈一擊，發起"東征討蔣"的軍事行動，其中唐生智的第一方面軍沿長江北岸，張發奎的第二方面軍沿長江南岸，分別向南京進擊。預定起義的賀龍、葉挺兩部均屬第二方面軍，他們正好利用這個機會，脫離張發奎的掌握，由武漢、鄂東一帶向南昌集結。
7月下旬，周恩來、劉伯承到達南昌。劉伯承出任起義軍參謀長，負責協助起義軍代總指揮賀龍擬訂起義計劃。
計劃很快就寫出來了。鑑於葉挺也是南昌起義的組織者之一，周恩來讓劉伯承再去徵求一下葉挺的意見。
葉挺對劉伯承送來的計劃看得很仔細，但是看完之後就立即把計劃書還給了劉伯承，而且自始至終都沒有說一句話。
此前劉伯承並沒有見過葉挺，只知道對方是打下過武昌城的北伐名將，他對葉挺做事的習慣方式完全不瞭解，當然也不明白葉挺為什麼一言不發——如果對計劃不滿意，可以當面指出來呀。
這是劉伯承第一次擔任幕僚長，又是為如此重大的軍事行動進行策劃，內心不免感到忐忑。想來想去想不明白，他只好去問周恩來。
周恩來一聽就笑了："噢，你還不熟悉他。他就是這個樣子，要是不說話，就是表示贊成。"劉伯承這才放下了心。
8月1日，各部按照擬訂的計劃發動起義，在幾個小時之內便完全控制了南昌。起義勝利後，部隊領導層重新進行了調整，葉挺出任前敵總指揮，劉伯承出任參謀長，由劉伯承所領銜的參謀團實際上成為了起義軍的領導中樞。
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