1926年9月，陳賡接到中共中央的通知，秘密離開廣州到上海，見到陳獨秀才知道，是去蘇聯學習保衛工作，和他同去的還有顧順章等人。
他們上了一艘蘇聯的貨輪，先到莫斯科報到，然後拿著介紹信到蘇聯遠東地區的紅軍部隊學習政治保衛工作和武裝暴動經驗，在伯力學習偵察和審訊工作；在海參崴學習爆破、射擊等技術知識。陳賡曾說過在那裏學習射擊的情況：50公尺外的牆上有很多燈泡，哪個燈泡亮了，就要迅速用手槍打它……他的學習成績優異。
1927年2月陳賡重新回到上海時，在廣州誓師北伐的國民革命軍已經順利打到了長江流域，總指揮部設在南昌。
陳賡到了上海，周恩來等人領導的上海前兩次起義他沒有參加上，但為第三次起義做了許多準備工作，他親自到一些工廠的夜校去講課和作動員報告，教工人糾察隊戰鬥知識和怎樣使用武器。
這時關於北伐軍的傳說很多，為了弄清情況，周恩來叫陳賡到南昌去了解蔣介石的“政治動態”，因為他那裏的朋友多。加之他對蔣介石有救命之恩的特殊關係，了解情況比較容易。
所以，陳賡到了南昌，索性先到北伐軍總指揮部去見蔣介石。蔣介石一見他就詫異地問：“你這一陣子在哪裏？”
陳賡不能說真話：“在上海做秘密工作。”
“現在北伐軍進展很順利。”蔣介石高興地和他握手，“全國勝利大局已定。我這裏忙得很，有許多事要做，你就留在我這裏吧！”
“暫時還不行。”陳賡笑著說，“我得先去了結些私人的事。”
蔣介石滔滔不絕地講了很多勝利形勢的好消息，也沒有能打動陳賡，他當然記得陳賡在汕頭向他遞交辭呈的事。最後隻得點頭說：“那好，你就去辦完自己的事再來吧。”然後派人給陳賡送了一筆錢和一個綢子封麵的“特別通行證”，注明拿著這個證件，可以隨時去見蔣介石。
陳賡在總指揮部裏見到了很多各種政治觀點的人，了解到不少情況。這時“黃埔三傑”之一的共產黨員蔣先雲還在那裏工作，見了陳賡，就急忙拉到僻靜處告訴他很多事情，再三叮囑說：“蔣介石就要叛變了，你趕快離開南昌吧！”
陳賡還遇見了當時任總指揮部政治部主任的鄧演達，鄧是國民黨軍隊的左派領袖，和蔣介石的關係很緊張。見到陳賡也急忙告訴他：蔣介石已經派人和英、美帝國主義與上海的江、浙財閥進行勾結了，那些人提出以反共滅共為條件，給他6000萬元巨款，馬上就要成交，革命就要斷送了……勸他“多加小心，免遭暗算”。
陳賡急忙離開南昌乘船去武漢。此時中共中央也由上海遷到武漢，接到陳賡的彙報後，通過上層關係把他介紹到國民革命軍第八軍去，就任軍部的特務營營長。
第八軍軍長是唐生智，也是湖南人。1914年從保定軍官學校第一期步兵科畢業，在湘軍中由見習官逐漸升為排、連、營長，經過幾次戰爭，被提升為團長、旅長，到1920年11月，又被提升為師長，駐軍衡陽。他努力擴充兵力，訓練部隊，成為當時湘軍中最大的一支力量。1926年初，湖南人民掀起聲勢浩大的反對北洋軍閥吳佩孚及其湖南走狗——省長趙恒惕的運動，唐生智即派部隊迅速解決了趙恒惕的兩個師，趕走趙恒惕並進入長沙市，宣布自己代理省長。接著廣州國民政府派人和他聯係，共產黨省委也對他做爭取工作，他表示擁護孫中山三大政策，願意參加北伐。於是北伐軍派兵進入湖南，幫助他打退了吳佩孚部隊對他的反撲。6月，唐生智接受了廣州國民政府的任命，擔任湖南省主席及國民革命軍第八軍軍長的職務，然後以北伐軍前敵總指揮名義，率領部隊參與攻占武漢三鎮。