1927年7月，刘伯承辗转来到武汉，临时下榻于汉口国民党四川省党部办事处。
他的公开身份是武汉政府委任的暂编第十五军军长，顺泸起义也是要帮国民党建立左派军队，"与川中反动军阀奋斗"，自然不会再有人来找他的麻烦。顺泸起义虽然最终沦于失败，但毕竟坚守孤城达四十余天，这极大地提高了刘伯承在军界的声望，武汉报纸直截了当地称他为"川中革命军事领袖"。他所下榻的办事处门口整日车水马龙，访者络绎不绝，其中有表示慰问的，也有专程求贤的，有让他回川与四川诸侯合作的，也有想拉他入伙的蒋、汪门客。
刘伯承身穿蓝布长衫，一一笑脸相迎，不过对于凡是让他出山的建议，均以久战之后身心疲惫，急需休养相拒。
刘伯承在随时待命。这时由汪精卫主持的武汉国民政府也开始"分共"，第二方面军总指挥张发奎跟着下达命令，让在他军中的叶挺等共产党员退出军队或脱离共产党。
第二方面军里有许多共产党的秘密组织和左派将领。于是中共中央决定以此为基础，在南昌发动武装起义，并由周恩来负责领导此次起义。
周恩来受命于危难之际，军事上急需一个得力的助手。刘伯承既有丰富的作战指挥经验，又有发动大规模起义的经验，在当时的中共党内尚属凤毛麟角，因此被周恩来一眼相中。
尽管蒋、汪都采取了反共立场，但宁汉内部仍然处在对峙之中。继蒋介石"讨伐"武汉政府未果后，汪精卫反戈一击，发起"东征讨蒋"的军事行动，其中唐生智的第一方面军沿长江北岸，张发奎的第二方面军沿长江南岸，分别向南京进击。预定起义的贺龙、叶挺两部均属第二方面军，他们正好利用这个机会，脱离张发奎的掌握，由武汉、鄂东一带向南昌集结。
7月下旬，周恩来、刘伯承到达南昌。刘伯承出任起义军参谋长，负责协助起义军代总指挥贺龙拟订起义计划。
计划很快就写出来了。鉴于叶挺也是南昌起义的组织者之一，周恩来让刘伯承再去征求一下叶挺的意见。
叶挺对刘伯承送来的计划看得很仔细，但是看完之后就立即把计划书还给了刘伯承，而且自始至终都没有说一句话。
此前刘伯承并没有见过叶挺，只知道对方是打下过武昌城的北伐名将，他对叶挺做事的习惯方式完全不了解，当然也不明白叶挺为什么一言不发——如果对计划不满意，可以当面指出来呀。
这是刘伯承第一次担任幕僚长，又是为如此重大的军事行动进行策划，内心不免感到忐忑。想来想去想不明白，他只好去问周恩来。
周恩来一听就笑了："噢，你还不熟悉他。他就是这个样子，要是不说话，就是表示赞成。"刘伯承这才放下了心。
8月1日，各部按照拟订的计划发动起义，在几个小时之内便完全控制了南昌。起义胜利后，部队领导层重新进行了调整，叶挺出任前敌总指挥，刘伯承出任参谋长，由刘伯承所领衔的参谋团实际上成为了起义军的领导中枢。
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