８月，根据中共中央的指示，红３军团与红１军团组成红一方面军。从此，邓萍指挥红５军，在朱德、毛泽东的亲自指挥下，参加了中央苏区历次反“围剿”。１９３３年７月兼任红军东方军参谋长，参与指挥所部入闽作战。在中央苏区，邓萍南征北战，战功卓著，成为红军的著名将领。期间，邓萍兼任红５军随营学校教育长，参与创建中国工农红军学校，任副总队长兼教育长，培养了大批红军干部。１９３４年１月，被选为中华苏维埃共和国中央候补执行委员。

１９３４年１０月参加长征，协助彭德怀指挥红３军团担任右路前卫，连续突破国民党军４道封锁线，掩护中央红军主力、中共中央机关和中革军委机关突围。遵义会议后，在毛泽东的正确指挥下，邓萍与彭德怀指挥红３军团纵横驰骋在黔北、川南地区，两渡赤水河，激战娄山关，直逼遵义城。１９３５年２月２７日，邓萍在指挥部队攻打遵义老城时被子弹击中头部，壮烈牺牲，年仅２７岁。邓萍不幸牺牲的消息传到军团指挥部，彭德怀十分悲痛，他流着眼泪向部队下达了攻城命令：“拿下遵义城，为参谋长报仇。”红军攻下遵义城后，红１１团政治委员张爱萍挥笔写下一首挽诗：“长夜沉沉何时旦？黄埔习武求经典。北伐讨贼冒弹雨，平江起义助烽焰。‘围剿’粉碎苦运筹，长征转战肩重担。遵义城下洒热血，三军征途哭奇男。”新中国成立后，遵义人民政府找到邓萍烈士的遗骸，迁葬在碧水环绕的凤凰山上。