通过广州起义、辛亥革命、二次革命，邓演达认识到没有强大的革命军队是革命屡屡失败的重要原因之一。他决心继续学习。1914年，他进入武昌陆军第二预备学校；1916年冬毕业，以优等生资格升入保定陆军军官学校第六期，攻读工兵科，同时还致力于政治、经济等社会科学的研究，并学习德文。1919年2月，24岁的邓演达从保定陆军军官学校毕业。
10年中，通过同盟会的精心培养，4所军事学校的系统学习和3次武装起义的实际锻炼，年轻的邓演达，在革命理论、军事理论、革命品格、道德情操、知识结构、文化素养、实践经验等方面都打下了坚实基础，为后来成为中国杰出的民主革命家作了充分准备。
1920年初，邓铿任命邓演达为宪兵营官长。邓演达上任后，大力整顿，一时军纪严明，社会秩序良好，博得群众好评，也因此成了第一师的核心人物，与邓铿同心协力建设第一师，后来成长为在北伐战争中立下赫赫战功的“铁军”——四军，为中国革命培育出不少杰出将领，如叶挺、叶剑英、李济深、陈铭枢、蒋光鼐等。
1919年，邓演达从保定军官学校毕业后赴西北边防军任排长时留影。
1920年，孙中山在广州建立中华民国军政府，准备在统一两广的基础上出师北伐。陈炯明公开叛变后，邓演达临危受命，从陈炯明手中夺回了广州。第一师扩编为第四军，孙中山提升邓演达为旅长，他坚辞不受。孙中山对他非常赏识和器重，授予他少将参军之职，并亲自题赠半身照片一帧和对联一副，上书“养成乐死之志气，革命贪生之性根”。
当他奉命筹办黄埔军校，粤军第一师师长李济深为他饯别时说过这样的话：“没有邓仲元(即邓铿)师长的伟大、毅力，就不可能有革命的粤军第一师，并为其他部队的模范；没有择生同志的忠贞和热诚，也没有巩固的第一师，并坚定地为革命事业效命。”由此可见邓演达在粤军第一师中的重要作用和崇高威望。
