1934年10月，陈云以红五军团中央代表身份参加长征。同年12月，陈云担任军委纵队政委，与刘伯承、叶剑英搭档。1935年1月，军委纵队攻占遵义，陈云任警备司令部政委并出席遵义会议；会议后兼任中共中央组织部部长，此后组织部队参与四渡赤水。5月上旬，红军渡金沙江时，陈云任渡河司令部政委，负责在南岸指挥部队上船；促使三万红军在十天内渡过金沙江，使得中央红军摆脱了国民党军十余万部队的追截。6月12日，中央红军先遣部队胜利翻越夹金山。就在中央红军大部队赶往夹金山前，中共中央通知陈云离开长征队伍，执行“泸定桥会议”决定，秘密出川赴上海参加秘密工作。然而，中共驻共产国际代表团鉴于上海地下组织遭受严重破坏，陈云、潘汉年在上海难以立足为由，指示他们赴苏联。9月，陈云、陈潭秋、曾山、杨之华、何实嗣等人抵达苏联，进入列宁学校学习政治经济学和英文。1936年3月，陈云在莫斯科东方大学八分校担任助理副教授。

    滕代远自1930年起,先后任红3军团政委、红一方面军副总政委、中央革命军事委员会武装动员部部长等职，参加了保卫井冈山的斗争和中央苏区历次反“围剿”，曾获二等红星奖章。1934年7月赴苏联出席共产国际第七次代表大会后根据中央指示留在苏联，进入苏联红军陆军大学、列宁学院学习。

    此期间，中共中央仍隶属于苏联共产国际（即远方）的一个支部（至1940年脱离关系），陈云是中共驻莫斯科代表团成员，滕代远归代表团直接领导。

    1936年10月中旬，中共驻莫斯科代表团委派陈云、滕代远等组成5人代表团，赴新疆接应西路军，陈云任团长，滕代远任副团长。团员有冯铉（即何晓理）、段子俊和李春田。这个代表团既代表共产国际，又代表中共中央。代表团从组建到出发只用了3天时间，临行前作了分工：陈云总负责，滕代远协助之，冯铉做翻译，段子俊负责电台，李春田管译电。他们的任务很明确，即赴新疆接应西路军。出发前，共产国际代表季米特洛夫专门举行家宴招待了他们，并询问他们还有什么困难，需要些什么？他们提出西路军进新疆后缺少武器和弹药。于是季米特洛夫通过苏联共产党中央领导批准，答应送给西路军90辆坦克和90门火炮。由于发生“西安事变”的原因，代表团在中苏边境的霍尔果斯等待电令达5个月之久。由于延安的党中央，没有安排他们的电台和西路军总部电台直接建立电讯联系，也没有向他们通告过西路军河西征战的情况，5人小组成员都不知道此期间西路军担负了沉重的历史使命与劫难，并且最终导致了失败的具体情况和原因，在霍尔果斯焦急而耐心地等待着中央的电令。

    西路军面临失败时，於1937年3月14日，在康龙寺南山石窝子山凹，在敌人仍在不断包围攻击的环境下，召开了最后一次短暂的军政委员会，会议决定徐向前、陈昌浩离队返回延安，余部2128人分组成两个支队沿祁连山两侧游击摆脱敌人，以求得生存。以李先念、程世才、李天焕等人率领的红30军还剩1000多人建制仍存的团队组成西行支队，西路军临时组成的工作委员会和总部机关及直属单位剩下的十几名领导干部以及部分总部机关人员随西行支队行动。当日，徐向前、陈昌浩、李特、李卓然、程世才、王树声、曾传六联名致电“中央及军委”：“军政会决定徐、陈脱离部队，由卓然、先念、李特、传六、树声、世才、黄超、国炳等组成工作委员会，先念统一军事指挥，卓然负政治领导，受工委直接指挥。”由西路军副总指挥王树声和毕占云等指挥的支队分散游击，他们虽然被敌人打散，且被俘人员居多，但吸引了敌人力量。程世才将军在他建国后所写的回忆录中指出：“我们能够完成西进直抵新疆，这些分散于祁连山之各股游击部队（这里指王树声、毕占云支队），他们牵制与吸引敌人，对我们起了极大的配合作用。我们能保存最后一支力量与相当数量的干部，这不能不估计到他们所付出的血的代价。”……

    西路军虽然失败了，但这支部队的指战员们无愧于是中国共产党缔造并长期教育，在艰苦斗争中锻炼成长起来的英雄部队。这支部队的表现，充分体现了我们人民军队建设初期的工农红军部队，具有一往无前压倒一切敌人而决不被敌人所屈服，无论在任何艰难困苦的环境里，只要还有一个人，这个人就要继续战斗下去的英雄气概。

    红30军是红四方面军能征善战的主力部队，奉中革军委电令造船并作为先头部队渡河迎战马家军，一直担负护卫西路军总部的任务。在河西走廊与劲敌马步芳集团骑兵的多次艰苦卓绝的战斗中，由于环境、后勤保障、弹药等因素根本不具有对等条件，损失很大。军长程世才，政委李先念，政治部主任李天焕等人都是自红四方面军成立就一直战斗在一起的生死患难战友，他们信念坚定忠诚于党，20多岁，经常身先士卒挥舞大刀亲率战士们与敌人拼杀，带出了一只攻如猛虎、守如泰山的坚强部队。他们在历经红四方面军反复爬雪山过草地的艰难征程后到达会宁，没有休整，接着又奉中革军委电令先造船后渡河，於1936年10月突破黄河虎豹口渡口应战马家军，又跟随西路军总部征战了河西走廊艰苦悲壮的1000多公里征程，历经了大小近百次残酷激烈的战斗。程世才将军在他的回忆录里写到：“…….第三次战斗比任何一次都激烈（指重返倪家营子后）。敌将所有兵力集中向我左右及正面一齐猛攻。……敌人一直冲到我防地内与我后面的部队决战，最后我经过数次的反攻，将敌从我内线打了出去……..肉搏四、五次之多，将我防线附近的敌人打走，…….敌人后收了一步，战斗又成对峙战了。这次战斗激烈到顶点，双方都是用刀砍来砍去，我与敌交锋时完全用大刀和手榴弹及刺刀硬拼，步枪只起掩护作用，战场上杀声如雷。枪炮喊杀声震撼天地，闻之丧胆。这个时候，我困难到了极点，无饭吃、无水喝，周围打的快成废墟，也无房舍可住了。敌人兵力多，可调换使用，得到休息，我方则老是那几个人与敌死打，最感疲劳，战士们作战时也想睡觉，打的伙夫、马夫都上了战场……”在面临西路军失败之际，程世才军长在石窝会议上吼出了“…要死我们也要死在一起!”的洪亮声音…

    蒋介石一直在窥视河西走廊战事的进展，认为彻底歼灭共军主力徐向前部的绝好时机绝不能放过。电令马步芳集团要继续完成追歼西路军余部，力争全歼消灭干净，蒋介石以国民政府青海省代主席职位鼓励马步芳完成嘱托，以去掉“代”字的尴尬。

    西路军失败后的西行支队处境更加艰难,对幸存的指战员们的革命意志考验更加严峻。巍巍祁连山，渺无人迹，漫山遍野白雪皑皑，大小河川冰封冻结，气温降到零下近30度。西行支队指战员们身上没有棉衣，脚上没有鞋子，腰间没有了干粮，渴了抓一把积雪塞进嘴里，饿了有的指战员只得生吃羊肉和马肉、枯草树皮充饥,隐瞒伤情一心想跟上部队的30军供给部长聂洪国肩部的伤口长满了蛆虫而无药疗伤…,又不断病倒饿死了一些指战员。电台人员宋侃夫、王子刚等人没有辜负自己的使命终于在饥寒交迫中修好了唯一一部电台叫通了进至甘肃镇原的援西军总部电台。1937年3月23日，西行支队经援西军总部转向中央军委报告:“先念、世才所部现已脱离敌人，深入祁连山中，露营雪山，无粮食，仅觅食一些牛、羊肉充饥，甚困难。但我们绝不灰心，坚决执行中央指示，在自主、独立与依靠自己的路线上克服任何困难，求得最后胜利。我们今已到青海巡堡以北约三日行程处，明晨决继续设法越过祁连山西面，相机到敦煌。因为沿途少数番人先跑，找不到向导，只能用指北针前进。请常给我们指示及情报。最好能由援西军前出一部威胁与吸引马敌而便于我西进。”4月8日20时，援西军致电西行支队工委：“你们向敦煌地带前进，做到背靠蒙古、新疆两交界，而不被马敌压迫到新疆南路。…最近马敌兵多调回青海…你们行动隐蔽而出敌意料之外…”。13日，毛泽东、周恩来致电正在与国民党谈判的叶剑英：“西路军工委来电约18日可抵敦煌，现有人数900多枪5、6百，到后恐又要减少。由敦煌到新疆路极难走，恐不易通过”；要叶剑英向顾祝同交涉，使西行支队到敦煌后不许马敌再继续追击。15日，毛、周又致电叶剑英要顾祝同命令“二马”不得追击，并通电西行支队余部18日可到敦煌。但顾祝同根本没有落实，而是暗中按照蒋介石的密意继续责“二马”追歼西路军余部。

    西路军西行支队指战员勇闯祁连山无人区，暂时摆脱了敌人的追杀，在祁连山无人区的恶劣自然条件下艰苦行军43天，走出祁连山到达石包城时清点人数仅剩903人。这期间随王树声、毕占云支队行动，不幸被俘的西路军电台报务员曾庆良、黄子昆（黄良诚）等人在被迫为马步芳西宁电台工作值班时“身在曹营心在汉”，成功扣压了一封标有“十万火急”等级的电报，内容是马步芳责令马彪的骑兵部队，星夜兼程火速赶往祁连山出口的安西城增援刘呈德部，务必全歼西路军余部…。曾庆良、黄良诚冒着生命危险扣压了这封电报未发出，延缓了敌人增援部队的行动……。

    1937年4月7日，军委主席团直接致电西路军西行支队：“…你们可以向新疆去，已电彼方设法援接。”但是,艰难走出祁连山的西行支队指战员们由于疲惫至极,在到达安西（今瓜州）城外时，4月16日17时，经石包城到达蘑菇台时，虽然得到了庙宇道长郭元享的慈善救济，但仍未根本解决饥饿和困乏，在到达距安西（今瓜州）两站半路时，西行支队致电援西军转军委：“…为争取先机，我们遂改向安西前进。到安西后稍作调整，即向星星峡进。请设法与新疆交涉，并电请远方（共产国际）派人到星星峡接我们，最好由汽车带粮到该地。我们全部只850人，困疲至极，急需待机休整…”。为及时休整一下困疲至极的部队，支队多数领导主张攻打敌情尚未侦查清楚的安西城，以尽快得到休整。结果被刚刚赶到的马匪增援部队从城内反击出来，部队又遭损失，只得且战且退。4月20日，毛泽东、朱德经援西军致电西行支队：“远方（共产国际）对于西路军进入新疆转赴远方求学问题，已决定了。为此，目前西路军必须到达星星峡，他们在该地迎候你们，你们不应在敦煌久停，而应尽可能地只休息两三天，最迅速地取得粮食和骆驼，向星星峡进。”接此电令时，西行支队指战员正在与紧追不舍的马匪骑兵鏖战，敌人的战马都追的呼呼喘气直吐白沫，在追至红柳园子地区时，敌人把马拴在一起，徒步从几面围了上来。西行支队指战员砸毁了电台，在山坡上匍匐隐蔽，准备与马匪进行最后的拼死决战。

    50年代，李天焕将军在他的回忆录《气壮山河》中回忆了这场殊死的战斗：“敌人的骑兵从左右两侧迂回，将我们包围起来。战士们看看密密层层的敌人，再看看仅剩几发子弹的步枪，都拔出刀来，准备作最后的一拼…”，指战员们撑起红军破碎的军旗迷惑敌人，在地形不利的山坡上吃力地构筑掩体。战斗极为惨烈。红军因缺弹药，全凭大刀、长矛与敌拼杀,红军上至军长、政委，下至炊事员都在和敌人厮杀，一直杀到黄昏天黑，虽然砍死几百敌人，但我军伤亡也很严重，特别是后卫第267团，几乎伤亡殆尽。红30军第89师参谋长刘雄武、第267团政委陈智才、总部译电组长陈茂生等牺牲。红军队伍被敌军冲散，人员趁天黑分散突围，但这时大家的目标是一致的：到新疆去见中央代表！左支队指战员们断水断粮，分散进入了戈壁沙漠，杀掉心爱的战马饮血，有的战士相互喝着尿液解渴，他们用破布止住流血的伤口，揣好破碎的军旗，相互搀扶，迎着大漠惊沙、猎猎寒风，衣衫褴褛、饥肠辘辘，沿着稀落的电线杆，极度艰难地向星星峡方向走去………。毛泽东、朱德1937年5月1日曾致电援西军领导并告已经脱险到达援西军总部的徐向前：“李先念等率850人，到安西东边90里处，虽有一电来，后再无来电，陈云同志在星星峡迎接他们之电，亦无法转走，远方亦无来电，现情况不明。”很显然地证明了，西行支队在最危急的时刻已失去了电台。

    陈云、滕代远在接到赴新疆接应西路军的中央电令后离开霍尔果斯到新疆迪化，利用新疆督办盛世才想亲近苏联获取援助利益的心理，与之协商谈判成功，让其派出人员王孝典携带卡车食品和物资，一起前往星星峡接应西路军。

    星星峡位于甘肃和新疆群山交界处，人迹罕见，是新疆通往甘肃的关口。1937年4月底，陈云、滕代远等人赶到星星峡，同李先念、李卓然、程世才等西路军西行支队陆续到达的指战员420多人会面。大家拥抱在一起，百感交集。陈云、滕代远等人看到西行支队指战员们一个个衣衫褴褛、两颊塌陷、只有头戴的红军帽和他们手中的武器能够辨认出这些吃尽苦难而英勇无畏的红军指战员，心中有说不出的酸楚和难过。陈云后来在1937年6月19日给王明转驻共产国际代表团的信中描述说：“他们已经有40多天没有洗脸，每个人手上有一二毫米厚的黑皮，面黄肌瘦，简直不类人形。如果说过草地已经很苦的话，西路军左支队在祁连山中所受的苦，更增加百倍。他们都是三年以上的老兵，党员260人左右，还有无线电专业人员、译电人员和医生等技术人才约50人”。当陈云、滕代远等人把新疆督办盛世才提供的棉衣、内衣、鞋帽让西行支队指战员们换上时，许多指战员把沾满血迹的破烂脏衣堆在一起焚烧，衣服上的虱子在火中噼啪作响…

    1937年5月1日正值国际劳动节，纪念会上陈云代表党中央向乘卡车前往迪化（今乌鲁木齐）的西行支队指战员们表示亲切慰问，并发表了热情洋溢的讲话。他说：“革命斗争有胜利也有失败，只要我们保存下革命的有生力量，我们就会发展壮大起来。你们现在的几十几百人，将来可以扩充到几千几万人，争取革命更大的胜利！”在场身经百战幸存的将士们热泪滚滚，欢呼雀跃，陈云的讲话使这些从敌人的刀光血影和祁连山荒原僻野中，历经艰辛苦难跋涉出来的红军指战员们，精神上得到极大的慰藉。在与指战员们的不断交流中，陈云、滕代远等人才了解了一些西路军失败的情况和原因……。

    5月下旬，在陈云、滕代远等人的努力下，西行支队指战员们的思想情绪得以稳定。但是，国共两党谈判还在激烈斗争中，新疆距离陕北路途遥远，这批西路军指战员短期内显然难以返回陕北。陈云果断决定将西行支队指战员先组织起来学习文化，针对他们绝大多数出身贫苦没念过书，动员学习文化。指出“将来的红军为了战胜敌人，打败侵略中国的帝国主义，必须装备先进的武器，懂得马克思列宁主义的先进理论，这就需要有文化知识。文化课好比是一把开门的钥匙，没有起码的数学物理知识，就进不了军事技术这一科学大门…”，“大家要安下心来，下苦功夫学习政治军事课程，掀起学习高潮。”

    陈云在给共产国际的信中说：“我肯定的说，现在到达迪化的400多人都是百战余生的人，虽然他们身带许多次花（指负伤），身体很弱，如果可能给他们相当的休养，每个兵士训练一下就是我们将来的军事干部，今后对于中国革命不知能做多少工作。”

    七七事变爆发后，国内形势发生了重大变化。国共两党在抵御日本帝国主义的共同目标下，实现了第二次国共合作。7月15日，根据共产国际和中共中央的新安排，西路军西行支队指战员们在陈云与盛世才谈判成功后，对外以新疆迪化“新兵营”建制名义，开始在迪化就地学习各种特种兵技术，大部分人先后陆续返回延安参加了抗日战争，并成为我军特种兵建设的先行者。

    陈云1937年10月返回延安，12月，陈云在延安中共中央政治局的一次会议上发言说到：“西路军到新疆的干部战士共437人，其中营以上干部45人，连级干部40人，医生7人，无线电工作人员10人，其余为排以下人员。”             

    12月9日，奉中共中央指示，原西路军工委书记、西路军政治部主任李卓然；原西路军工委委员、红三十军政委李先念；原西路军工委委员、红三十军军长程世才；原西路军工委委员、西路军政治保卫局局长曾传六。原红三十军政治部主任李天焕、参谋长郭天民，原西路军总部第三局局长宋侃夫等，从新疆迪化起程回延安，当日乘飞机抵达兰州，受到兰州八路军办事处同志的热烈欢迎。12月26日，李卓然、李先念、程世才等同志从兰州乘汽车东下回延安。1938年1月29日到达延安，受到了毛泽东主席的亲切接见。