1933年9月，任陝甘邊紅軍臨時指揮部副總指揮兼參謀長；當年11月後，曆任紅26軍42師參謀長、師長，率部北上慶陽、合水，與地方武裝相互配合，開展遊擊戰爭。
1934年2月至4月，在對敵鬥爭中指揮部隊九戰九捷，以劣勢兵力取得了西華池等戰鬥的勝利，挫敗了國民黨軍對陝甘邊蘇區的第一次“圍剿”，建立了陝甘邊工農民主政府，進一步鞏固和發展了革命根據地。
同年5月任中共陝甘邊軍事委員會主席，後兼任軍政幹部學校校長，編寫了《軍事教育大綱》、《政治工作訓令》等教材。
1935年2月，任西北革命軍事委員會主席。
1935年5月，紅26、27軍會合後，組成西北革命軍事委員會前敵總指揮部，任總指揮，率紅軍主力，以圍點打援、出敵不意、各個擊破的戰法，經兩個多月的機動作戰，攻克延長、延川、安定、安塞、保安、靖邊6座縣城，殲滅大量敵軍，粉碎了國民黨軍隊對陝甘邊蘇區的第二次“圍剿”。
1935年8月，在陝北、陝甘邊蘇區第三次反“圍剿”中，指揮紅軍主力殲滅國民黨晉綏軍1個團，迫使晉綏軍主力撤回黃河東岸。第三次反“圍剿”勝利後，陝北、陝甘邊兩塊蘇區連成一片，成為中共中央和各路北上抗日紅軍長征之後的落腳點。
1935年9月，紅26、27軍與長征到達陝北的紅25軍會師，組成紅15軍團，任副軍團長兼參謀長；10月，參與指揮勞山戰役，後在“肅反”運動中被停職關押在瓦窯堡。
1935年10月19日，中央紅軍到達陝北吳起鎮，毛澤東下令停止“肅反”。當年11月，周恩來到瓦窯堡，親自將戴著手銬腳鐐的劉誌丹釋放出來。此後曆任西北革命軍事委員會後方辦事處副主任、紅軍北路軍總指揮兼紅28軍軍長、中共中央所在地瓦窯堡警備司令等職。
1936年3月，率紅28軍參與東征戰役，在晉西北連克敵軍。
1936年4月14日，在山西中陽縣三交鎮戰鬥中英勇犧牲，年僅33歲。
1936年年6月，為紀念這位西北紅軍和西北蘇區的主要創建人，中共中央和陝甘寧邊區政府決定將保安縣改名“誌丹縣”。
1943年5月，中共中央和陝甘寧邊區人民為劉誌丹舉行了隆重的公葬典禮。幾乎所有在延安的中央領導人都為他題了詞。毛澤東題詞：“群眾領袖，民族英雄”；朱德題詞：“紅軍模範”；周恩來題詞：“上下五千年，英雄萬萬千，人民的英雄，要數劉誌丹”。
2009年9月10日，在中央宣傳部、中央組織部、中央統戰部、中央文獻研究室、中央黨史研究室、民政部、人力資源和社會保障部、全國總工會、共青團中央、全國婦聯、解放軍總政治部等11個部門聯合組織的“100位為新中國成立作出突出貢獻的英雄模範人物和100位新中國成立以來感動中國人物”評選活動中，劉誌丹被評為“100位為新中國成立作出突出貢獻的英雄模範人物”之一。