这时一个意外消息传来。张国焘提出种种借口，不服从中央指令，擅自命令右路军南下，企图分裂和危害党中央。中共中央和毛泽东为贯彻北上方针，并避免红军内部可能发生的冲突，决定率红一、三军团及中央纵队迅速向北行进。9月中旬进入甘肃省境的白龙江，走栈道，越过有“千里雪”之称的岷山，攻克天险腊子口，占领岷县。至此已经离开了藏民聚居地，到了回汉民族共处的地方了。
由于红军行动迅速，并难以猜测，蒋介石和四川省军阀都追赶不上，于是蒋介石急忙命令驻扎在甘肃省、陕西省的东北军和西北军以及一些杂牌部队，共二三十万人，在渭水一线布防，堵截红军。
红一方面军在岷山上的哈达铺，进行了整编。北上的一部分改称陕甘支队，下辖大队，陈赓就任第十三大队的大队长。在解放战争中，他曾说过：“我当大队长，骑着马在前面走，不敢回头看，因为一看就把整个大队看完了。”红军长征，减员很大，但兵都很精，一个个都是经过千锤百炼的英雄，战斗力很强。部队通过六盘山的时候，第十三大队奉命抢占一个要点，曾被敌人几个团包围起来，但部队在陈赓指挥下奋勇作战，终于冲出了重围，敌人却被打得晕头转向，始终弄不清红军是多少兵力。
红军一部佯攻天水市，诱使敌人主力着急地向那里集中，进行防御。红军却以急行军在武山、漳县之间，顺利渡过敌人所谓的渭水封锁线，占领榜罗镇和通渭城，把敌人主力远远甩开了。
1935年10月19日，陈赓随中央红军长征二万五千里，途经11个省份，终于到达了陕西省北部的吴起镇，与红十五军团胜利会师。这一人类历史上的奇迹，宣告了国民党军队围追堵截消灭红军的企图的破产，预示着新局面的必将到来。
蒋介石虽然不断遭到失败，但并不死心，判断红军虽然抵达陕北，但已疲惫不堪、溃不成军，决定趁红军立足未稳，加以围歼。于是命令国民党第五十七军为左路军，由庆阳、合水县出动，经太白镇东进；国民党第六十七军由洛川北上富县，尔后逐渐向北压缩，对红军构成东西合围之势。
11月3日，中国工农红军西北革命军事委员会成立，毛泽东任主席，周恩来、彭德怀任副主席。陕甘支队与红十五军团合编，恢复了红一方面军番号。红十三大队也恢复了红十三团的建制，陈赓即改任为十三团团长。部队经过短暂休息，体力得到了一些恢复，但是棉衣还补充不上，陕北高原的凛冽寒风劲吹，致很多战士得病住院。在这种情况下，红军还是要为粉碎国民党军队的新的“围剿”作战。
11月5日，中革军委决定在两股敌军之间的直罗镇地区布阵迎敌。
直罗镇位于葫芦河中段，东距富县，西离合水均约百余里，三面环山，一面临水，是两股敌军之间的纽带，斩断这个纽带，有震撼全局的作用。
11月18日，红一军团和红十五军团的团以上干部，走上直罗镇西南的山头，鸟瞰全镇地形，一条道路、一段寨墙、一个土坡、一棵小树……都观察得很仔细。大家都知道这一仗有决定意义，是进入陕甘根据地的第一仗，不能有丝毫疏忽。
红一军团领导认为，现在有了革命根据地，部队已经有了后方，部队中的伤病员可以不用跟着部队行动了，全部留在后方。军团参谋长左权亲自下部队落实此事，他知道陈赓双腿有战伤，长征中又劳累过度，就亲自来到十三团，劝陈赓不必去前线了。左权和陈赓是黄埔军校一期的老同学，还是陈赓在1925年介绍左权加入中国共产党，两人在红军中又朝夕相处，感情一直很好。左权劝陈赓这一仗不必去了，他可以替代陈赓指挥十三团。
十三团由左权指挥，陈赓没有什么不放心的，但他却说啥也不干，笑着说：“人家新官上任三把火，你却泼我一瓢水。”左权知道他的心情，但看他在长征中由于长期营养不良，弄得面黄肌瘦、行动更为困难的样子，思索了一下说：“你要真的不想离开部队，那就给你配备两匹马，换着骑，不要下马。”陈赓还是不接受，说：“指挥作战哪能骑着马呢？长征我是走来的，不是骑马来的。”左权没办法，就把十三团特派员欧致富找来，嘱咐说：“你要马上去落实一副担架。从现在起，你和担架都不能离开他。”
部队从吴起镇隐蔽前进，因为要绕过敌人的几个据点，大多是夜行军，所以比较疲劳。当团长的陈赓更要比大家多走很多路：大部队出发前，他要做很多准备工作，派出部队侦察、搜索、警戒，行进中时刻防备出现意外的情况，等大部队过完，他又得折回来检查收哨，搜集部队情况等。这样的长途奔波，陈赓伤残的腿变得更瘸了，拄的棍子都被撑得一弯一弯的，但就是不上担架。
有一天，陈赓发现欧致富的腿也瘸了，也拄起棍子来，就说：“过去算命先生说逢单空，你信不信？”欧致富说：“谁信那一套。”陈赓说：“我现在信了。十三团出了个独脚团长，又出了个独脚特派员。你不信也得信。”说得大家都笑了。他又问欧致富：“你看我俩像什么？”欧致富笑了：“还能像什么？像个兵呗。”陈赓说：“我看拄着棍子一瘸一拐的这个走像，像一对叫化子。”欧致富说：“你要化装成叫花子，我一眼就可以看出来……”陈赓笑了：“那倒是，在上海做地下工作，我什么都敢化装，就是不敢化装要饭的。”
军团派马匹接陈赓去开会。晚上回来，他兴奋地说：“喂，你们谁杀过牛？这回可要杀牛啦！”还说，“这头牛，自从红军进入陕西和甘肃省后，老跟着啃屁股。我们虽然砍了它几节尾巴，都没有能使它老实点。这回可要宰他的牛头，给它开膛破肚了。”这牛指的是东北军第一○九师师长牛元峰。
陈赓说：“十三团打了娄山关，以后一直当后卫，掩护全军。这次我抢来个硬任务，就是打头阵，拦着牛头打。不过大家不要杀红眼就什么也不顾了，一定要注意政治瓦解。有两句口号大家要记住：一句是‘宽待东北军’，一句是‘欢迎东北军掉转枪口打日本！’”
这下可把大家搞糊涂了。一个营长提出：“这是打仗还是去贴标语？”陈赓严肃起来：“怎么？打仗就没时间贴标语啦？现在是又要打仗又要贴标语。你一喊话，他就放下枪过来，那才是真本事。大家不要忘记，东北军是张学良的队伍，他们的老家让日本鬼子强占去了。”
那时和东北军相遇，上级规定要积极开展政治攻势：要喊口号，要写“中国人不打中国人”、“团结起来，一致抗日”等标语，还有的部队扎起牌坊贴上“莫把亲人当仇人，勿将他乡当故乡”的对联，横批是“打回老家去”等。部队走了，留给东北军看。
11月20日晚，命令来了：各部队按预定方向奔袭前进，拂晓前包围直罗镇。
部队没问题，一路小跑，说走就走。可是苦了陈赓，他拄着棍子走夜路非常吃力，渐渐和部队拉开了距离。欧致富急了，想起左权的指示，马上下命令：“警卫员，背团长！”这时，为了跟上部队，陈赓也不敢再拒绝，只好由两个警卫员轮流背了一段路。就这样，还是追不上部队。陈赓急了，自己喊起了担架。上担架时，陈赓说：“辛苦你们了。”接着长长叹了口气，“这可真是抬着将军上阵了”。
赶到指定位置，第十三团封锁着直罗镇的东北面，和其他部队一起把镇子团团围住。拂晓发起总攻，立即红旗飞舞，枪炮齐鸣，硝烟四起，杀声震天，战斗异常激烈，敌人被迅速分割成几块。这时，在会上提意见的那个营长跑来了，气呼呼地向陈赓报告：“团长，有半个营的敌人被我们堵住了，喊话他们也不缴枪，怎么办？”陈赓说：“你呀，性急吃不了热豆腐。古人大战三百回合，还不分胜负。你才打了多长时间？一个回合还不到，人家就投降？”欧致富说：“你不会用刺刀捅掉几个再喊。不杀鸡给猴子看，谁信你的威风呀！”
营长拍了下自己的后脑勺，嘟哝着说：“是这个道理，硬的他还没吃，怎么会服你软的？”回去后，叫部队猛攻一阵，再喊话。发现一喊话，敌军官就用手枪威胁士兵。他就开枪把那个军官干掉了，敌人马上乱了营，战士冲上去，敌人立即放下枪举手投降了，有的还连声喊着：“我举过两次手啦！别打，别打啦！”
解决了前沿敌人后，陈赓指挥部队插入纵深，发展得很顺利。不到两小时，兄弟部队就打到了敌人的师部，敌师长牛元峰，带着一个营的部队，钻到镇子东南角上的一个土围子里，想固守待援。但是部队失去指挥，漫山遍野乱跑，红军也就漫山遍野去抓，很快，就俘虏了1000多人，敌第一○九师基本覆灭。
这时，周恩来到前线视察，战斗还未完全结束，冷枪冷炮还在四处飞鸣。周恩来见到陈赓，问起了战况，陈赓发牢骚说：“小鱼小虾抓了不少。听说那头‘牛’还没有套住，你就叫我们团去宰这头‘牛’吧。”
周恩来笑了：“老陈呀，还是那么‘好战’。你只知道十三团拼刺刀厉害，可还有个美称，叫‘猴子兵’，跑路打敌人援兵也是拿手好戏咧。你们就到张家湾一带打敌人的援兵吧！这里的‘牛’，十五军团部分部队困住就行了。白天他跑不了，我们准备晚上放他出来，正好在运动中歼灭他。”[欧致富：《抬着将军战直罗》，原载《星火燎原》丛刊第1期。]
陈赓听周恩来副主席这么一说，不好再磨下去，急忙收拢部队，向西边的张家湾奔去。这样，第十三团很快就和赶来增援的敌第一○六师接上了火，协同红军其他部队歼灭了该师一个多团，余下的敌人，回头向西边的甘肃省方向逃走。陈赓又指挥他的“猴子兵”迅速向东赶来，准备参加消灭羊泉之敌。这时传来胜利消息，敌第一○九师的牛师长，在突围逃跑中被击毙了。羊泉之敌大概得到了消息，急匆匆地向东跑回富县去了。至此，敌人精心策划的“围剿”被彻底粉碎了。
回师路上，那副担架还不离陈赓左右，他发现了，对欧致富说：“原来左参谋长派你这么盯着我呀！不过，你算完成任务了。你要知道，抬上阵光荣，抬下阵呢？人家会说你是‘败将’，是伤员，不好听。叫他们快去抬真正的伤员吧！”其实，他在这次战斗中，是负了伤的，流弹击中了他左手拇指，只是他不愿意声张就是了。
直罗镇战役全歼敌军第一○九师及第一○六师1个团，俘敌5300余人，缴枪3500余枝。11月30日，中共中央在富县东村召开红一方面军营以上干部大会，庆祝红军大会师和直罗镇战役的胜利。毛泽东在会上作了《直罗镇战役同目前的形势与任务》的报告，指出这一胜利，不仅标志着蒋介石对陕甘苏区第三次“围剿”的破产，也是红军长征结束后新局面的开端，它为中共中央“把全国革命大本营放在西北的任务，举行了一个奠基礼”。
