起義成功了！趙博生揮筆寫了“解放”兩個字，全城換口令為“解放——自由”。拂曉，全城響徹著“解放”、“自由”的歡呼聲。在曙光中，寧都城碧空澄清，紅旗飄揚，起義軍在趙博生、董振堂、季振同和黃中嶽等率領下，浩浩蕩蕩地向革命根據地進發。中革軍委派出王稼祥、劉伯堅、左權等同誌前來迎接起義大軍，他們在寧都城東南六十裏的固厚圩會麵了。趙博生緊緊握著劉伯堅的手，激動地說：“讓蔣介石通緝我吧，我這幾根骨頭是屬於蘇維埃的了！”
16日早晨，劉伯堅代表中央革命軍事委員會，向起義官兵宣讀了將起義部隊改編為“中國工農紅軍第五軍團”的命令，趙博生任軍團參謀長兼第十四軍軍長，以後又擔任紅五軍團副總指揮、第十三軍軍長。
趙博生指揮作戰非常勇敢、堅定、沉著。如在水口戰鬥中，他的左臂受傷，同誌們勸他下去休息，他說：“流血很少，微傷何足慮。”他還很注意在實踐中，學習紅軍的作戰原則，改造自己在舊軍隊得來的那套死板的作戰方法，做到果斷、機動、靈活。凡是重要戰鬥和關鍵時刻，他都親臨前線，周密部署，反複檢查，親自指揮。紅五軍團的戰士在作戰中極為英勇、頑強，尤其是拚馬刀厲害，殺得敵軍膽顫心驚。蘇區軍民稱讚說：“一軍團的衝鋒，三軍團的包抄，五軍團的馬刀！”因趙博生指揮作戰有功，紅五軍團成立一周年時，中華蘇維埃共和國臨時中央政府下令嘉獎趙博生，並授給他一級紅旗勳章。
1933年1月，蔣介石主力第九十師、二十七師和十四師向金溪、南城一帶蘇區進犯。為了保障紅軍主力在黃獅渡殲滅敵人，趙博生奉命率四個團在左翼之長沅廟吸引和鉗製三倍於己的敵人。長沅廟是個隻利於守，不利於攻的小山地。當時，趙博生深感這次戰鬥的重要和自己責任的重大。於是，他親臨前線，精心勘察地形，積極指導構築工事，並縝密布置兵力。由於敵軍向我進攻時，來勢十分猖狂，先是集中火炮轟擊我方前哨陣地，接著，便向我發起集團衝鋒，戰鬥打得非常激烈。在這一激烈的戰鬥中，由於趙博生能充分利用地形地物，實施靈活的指揮，不僅連續打退了敵人多次瘋狂進攻，給了敵人以重大的殺傷，而且扼守了陣地，出色地完成了鉗製任務。1月8日戰鬥即將結束時，我軍子彈打光了，手榴彈扔完了，與敵人展開了激烈的肉搏戰。趙博生在與敵相距隻有百餘米的地方指揮，不幸彈中右額，為革命貢獻出了自己的生命。
毛澤東稱趙博生是“堅決革命的同誌”。葉劍英曾於1962年八一建軍節紀念日前夕，作詩懷念先烈趙博生。詩雲：
寧都霹靂響天晴，
赤幟高擎趙博生，
虎穴堅持神聖業，
幾人鮮血染紅星。