葉劍英於1934年10月任軍委第一縱隊司令員兼政治委員，率紅軍總司令部的5個局開始長征。博古（秦邦憲）、李德（華夫）、洛甫（張聞天）、毛澤東、王稼祥等隨一縱隊行動，葉劍英身著灰軍裝，腰插左輪手槍，在部隊中忙前忙後，保證通信聯絡暢通，及時為軍委提供情況。隊伍進入廣西境內時，遭敵機襲擊，葉劍英被彈片擊中大腿靠臀部處，負了傷。進行簡單包紮後，他忍著傷痛繼續率縱隊挺進。
1935年6月，紅一方面軍與紅四方面軍在四川懋功地區會師後，中央在兩河口召開了政治局會議。會上作出《關於一、四方面軍會合後戰略方針的決定》，確定集中主力向北發展，在運動中大量消滅敵人，創建川陝甘根據地。這時，張國燾勉強同意多數人的意見，但又藉口中央執行了錯誤的政治路線，要求改組黨中央和中革軍委，黨中央拒絕了張國燾的無理要求。
張國燾為了達到個人目的，指使由他所控制的川康省委致電黨中央，建議加強總司令部領導，增設軍委常委，要求任命自己為"軍委主席"。張國燾藉口統一指揮問題沒有解決，便不率四方面軍北上。中央為了團結四方面軍北上抗日，任命張國燾為紅軍總政治委員。通過多方說服工作，張國燾才勉強同意四方面軍向毛兒蓋開進。對張國燾的所作所為，葉劍英十分了解。
7月21日，中革軍委決定，以四方面軍總指揮部為紅軍的前敵總指揮部，任命徐向前為總指揮，陳昌浩為政治委員，葉劍英為參謀長。葉劍英接到命令後立即從黑水出發，向毛兒蓋進發。1935年8月4日至6日，中央政治局在毛兒蓋附近的沙窩召開會議。會後，紅軍總部決定把紅一、紅四方面軍混合編成左、右兩路軍，共同北上。左路軍在總司令朱德、總政委張國燾、總參謀長劉伯承率領下，從卓克基出發，經阿壩過草地北進；右路軍在黨中央毛澤東直接領導下，由前敵總指揮徐向前、政委陳昌浩、參謀長葉劍英指揮，從毛兒蓋過草地，向班佑集結。左、右路會合後，再一起北上。
18日，葉劍英率先遣隊出發，為右路軍開路。可是張國燾卻按兵不動，仍然在阿壩搞陰謀活動。自8月下旬以來，中央幾次致電張國燾，要他率左路軍迅速到班佑地區，與右路軍會合，執行洮河戰役計劃。9月8日，中央再次致電張國燾，說明左路軍南下，前途極端不利。指出南下沿途須經雪山、老林、隘路，國民黨已築好了碉堡，紅軍難以攻取。中央要求左路軍立即北上，張國燾以種種藉口，不執行中央指示，9月9日致電中革軍委，仍堅持要南下，同時，他還揹著黨中央密電右路軍政委陳昌浩率右路軍南下，提出要"徹底開展黨內鬥爭"。
譯電員譯完電文本來應交陳昌浩親收的，送去時，陳昌浩正在開會講話，他以為是一般內容的電報，便不耐煩地說："你沒看見我正在忙嗎！"譯電員便將電文交給了參謀長葉劍英，因電報是"特急絕密"，葉怕遲誤了大事，便打開瞟了一眼，見電文中的內容，敏銳的政治嗅覺使葉劍英感到事態嚴重，立即將此事報告了毛澤東。
毛澤東與張聞天、博古等研究，認為繼續說服、等待張國燾率部北上，不僅沒有可能，而且會招致不堪設想的後果。於是，毛澤東和張聞天、博古立即趕到紅三軍團指揮部，同在那裡養病的周恩來、王稼祥等一起進行緊急研究認為，為了貫徹北上方針，避免紅軍內部可能發生的衝突而遭受損失，果斷決定，率右路軍紅一、三軍團和軍委縱隊迅速轉移，脫離險境，先行北上。葉劍英在關鍵時刻保護了黨中央。
事後，毛澤東和周恩來在不同場合多次稱讚葉劍英在與張國燾鬥爭的關鍵時刻，為黨為革命立了功。1935年9月12日，中共中央在俄界召開政治局緊急擴大會議，會上通過了《關於張國燾同志的錯誤的決定》。會議還決定組建中國工農紅軍陝甘支隊，彭德懷任司令員，毛澤東任政治委員，王稼祥任政治部主任，葉劍英任參謀長，繼續北上。一路上，葉劍英積極協助毛澤東、彭德懷工作。於10月19日，勝利到達陝北保安縣吳起鎮（今吳旗鎮)。至此，中央紅軍歷時1年，途徑10個省、行程2.5萬里的長征勝利結束。
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