次年5至9月，国民党发动了第二、三两次围剿，陈光在作战期间，升任十师参谋长，带领本师出色地完成了战斗任务。11月，中华苏维埃第一次代表大会在瑞金隆重召开，陈光被授予二级红星奖章。年底，他调任红四军第十二师师长。1933年8月，蒋介石调集百万大军，采取碉堡战术对中央苏区发动了残酷的第五次围剿。为了扩红，党中央组建了日后名闻遐迩的“少共国际师”。当时，这个师共青团员占到了70%以上，平均年龄仅为18岁。为了把这些“红小鬼”培养成坚定合格的战士，中央军委在师长和政委的人选上反复遴选，最后决定派战术素养好、政治觉悟高、指挥能力强、作战勇敢的陈光出任该师师长，政委则为年仅17岁的总政青年部长肖华。
在陈光、肖华的带领下，“少共国际师”第一仗便在福建一役中歼敌500余名，缴获大批枪支弹药。为此，朱德、周恩来等领导同志专电嘉许该师，称赞他们是“铁拳初试”。3个月后，陈光调任红二师师长。虽然他在少共国际师只有3个月时间，但正如后来肖华上将评价的：“陈光对培养这支年轻部队呕心沥血，打下了良好基础，发挥了重要作用。”
代理红一军团军团长
由于王明 “左倾”冒险主义的影响，中央苏区第五次反围剿失败了，红军被迫进行战略转移。1934年10月14日夜，陈光率领红二师渡过于都河，踏上长征路。长征之初，陈光带领红二师担任突前前卫的任务，掩护军委纵队和后续部队经过浴血拼杀，终于来到了贵州。“黎平会议”后，红军改向遵义进发，红二师四团被选作前卫。陈光被军委首长亲自点将，带领耿飚任团长、杨成武任政委的四团强渡乌江天险。随后，他折回师部，指挥六团、四团，分别攻取遵义，抢占娄山关，占领松坝，然后再度集结部队沿西北方向警戒，与兄弟部队一道警卫着遵义会议的召开。
在这次会议上，毛泽东被重新确立了领导地位。随后，陈光带领红二师参加了四渡赤水，顺利进军川西。行至大渡河安顺场渡口，中央红军面对几十万蜂拥而至的敌军，面临进退维谷的境地。当时正值5月雨季，安顺场渡口水流湍急，河床宽广，工兵部队无法架起浮桥，全军上下费尽心机搞来的4只小船只是杯水车薪。唯有抢占泸定桥，才能保证部队抢渡完大渡河，避免当年石达开在此全军覆灭的命运。重任又一次落在了陈光肩上。他带领红二师四团以一天狂奔120公里的速度，创造了军史上至今仍津津乐道的奇迹--飞夺泸定桥，打开了红军的北上之路。
走出草地后，红二师率先进入甘南境内。又一道着名天险--腊子口挡住了红军的去路。这道关隘被夹在连绵的群山中，在两道山峰间如同一条狭窄的口子，刀砍斧削。两面尽是绝壁悬崖，下面则为一条奔腾的河流，其间仅有一座木桥，是出入腊子口的唯一孔道。林彪、聂荣臻等军团首长和陈光一道仔细观察了地形，决定由陈光和四团政委杨成武指挥。经过一夜激战，腊子口终于被攻克。1944年在延安中央党校学习时，党小组曾对陈光的这一功绩作了如下评述：“在长征中腊子口攻坚，陈光对中央红军北上，渡出险境，贡献极巨。”
11月19日，红军进入陕北吴起后，陈光改任红四师师长，彭雪枫为政委。在”直罗战役“中，他带领四师，在友邻部队配合下，担任主攻任务，最后一举攻克直罗镇，全歼敌一0九师，生俘师长牛元峰以下5000余人。“西安事变”后，陈光接替已调任红军大学校长的林彪，成为红一军团代理军团长，直至半年后，红一军团被改编为八路军第115师。
接替林彪出任115师代师长
1937年8月，红军改编为国民革命军第八路军。朱德、彭德怀分任正副总指挥，下辖3个师，即115、120、129，而以115师实力最强，有1万5千余人，由红一军团和红十五军团合编而成。115师成立之初，师长为林彪，副师长聂荣臻(实际上是政委角色)，政训处主任罗荣桓。下辖343、344两个旅。徐海东任344旅旅长，陈光则担任343旅旅长。
9月，115师出师即胜，创造了中国抗战史上的一个奇迹。林彪集中该师兵力，在山西平型关设伏，歼敌板垣师团二十一旅团1000余人，打下了全国抗战以来的第一个大胜仗。一个月后，陈光和老搭档肖华一道率343旅于广阳再次设伏，毙伤日军千余人，取得了广阳大捷。改变历史序曲的往往有很多偶然因素。次年3月，林彪在清晨的一次策马晨练中，为晋军误伤，生命垂危，旋即被接回延安，转送苏联救治。经中央军委提议，八路军总部任命陈光为115师代师长。
