9月17日，国民党军补充师约5个团夹闽江而上，增援南平守军;驻沙县第十九路军六十一师三六六团已进至青州、马铺附近，企图以部分兵力占领西芹，掩护主力增援南平。东方军首长决定先歼灭第三六六团。李天佑奉命率团截击来犯之国民党军。他和政治委员毛贲虎在伸手不见五指的黑夜里，指挥部队迎着国民党军前进。天未亮，在芹山同国民党军遭遇。经激烈战斗，国民党军大部举手投降，少数溃逃。李天佑指挥部队乘胜追杀数十里，终将号称“铁军”的第三六六团全部消灭，缴获大批枪支弹药和军用品，创造了红军l个团在运动中歼灭国民党军l个主力团的辉煌战绩。战斗结束后，彭德怀高兴地拍着李天佑肩膀说:“小鬼，别看你年纪轻轻的，指挥打仗可真有本事!”第十三团受到东方军嘉奖，并授予“英雄模范团” 光荣称号。
1934年1月，李天佑升任红三军团第五师师长。在军团长彭德怀、政治委员杨尚昆领导指挥下，李天佑于1月中旬率第五师参加第二次入闽作战。在进攻沙县城战斗中，由于该城墙高而厚和国民党军的强大火力压制，开始攻击一度受挫。后经调整部署，改强攻为坑道爆破，红三军团攻占沙县城。这一仗第五师协同第四、第六师，全歼国民党军2个团，并乘胜推进，攻占尤溪县城，缴获国民党军1个兵工厂和大批武器弹药。
四次临危受命
1934年10月8日，红三军团到达宁都以南地区，进行战略转移。当军团主力渡过信丰河，突破国民党军设置的第一、二、三道封锁线。当红军通过国民党军第三道封锁线时，蒋介石已判明红军突围的战略意图，遂调集25个师编为五路军，沿湘江两岸构成第四道封锁线，企图围歼中央红军于湘江、漓水以东地区。能否突破湘江，冲出国民党军重围，是关系中央红军生死存亡的一仗。
11月26日，李天佑第一次临危受命，军团命令他和政委钟赤兵率第五师第十四、第十五团，立即赶赴灌阳的新坷阻击广西国民党军，保证红军左翼安全，掩护中央机关“红星”纵队渡湘江。要求他们“不惜一切代价，坚持三天至四天”。
李天佑和钟赤兵深感形势严峻，责任重大，急速率领部队急行军赶赴新坪，抢先占领山岭，构筑阻击阵地，并与参谋长胡浚一起根据地形认真部署兵力。28日，广西国民党军第四十四师在猛烈炮火掩护下，从灌阳向新圩第五师前沿阵地发起进攻。面对数量和装备占绝对优势的国民党军，李天佑坚定沉着地指挥部队凭借有利地形奋勇抗击，逐个山头与国民党军展开激烈争夺，一天打退国民党军几十次冲锋。广西国民党军正面进攻受阻，遂以一部兵力从侧翼迂回，第五师2个团腹背受击，被迫退至第二道防线。29日，广西国民党军第二十四师和第七军独立团，在飞机、炮火支援下加入战斗，战斗更加残酷激烈。红军战士与广西国民党军展开白刃战，终因寡不敌众，第二道防线被突破。为了夺回失去的阵地，红军反复厮杀，伤亡惨重。30日，第五师继续阻击广西国民党军进攻。此时，第五师2个团伤亡已达2000多人，师参谋长胡浚、第十四团团长黄冕昌壮烈牺牲。李天佑和钟赤兵屹立在离前沿不到1000米的指挥所里，抑制悲愤调整部署，果敢地指挥部队坚守阵地，顽强阻击国民党军一次又一次的进攻。同日午后4时，中央机关及军委纵队全部渡过湘江，第五师才奉命撤出战斗。
