蒋介石叛变革命后，原黄埔军校教育长、国民革命军总政治部主任邓演达毅然脱离国民党政府，同宋庆龄等在莫斯科发表反蒋宣言。1929年，邓演达回到上海后，陈烈即参加邓演达的反蒋活动。1930年8月，邓演达在上海法租界领导成立了中国国民党临时行动委员会(时称“第三党”，后改名中国农工民主党)，陈烈参加该组织并成为骨干。同时，邓演达成立了军事委员会，秘密商定推翻蒋介石的统治，夺取革命根据地的计划，并派陈烈等一批黄埔一期学员到陈诚部任职，做武装起义的准备工作。

    1934年底，陈烈考入南京陆军大学特别班第二期深造。在学期间，他极为勤奋，对于战争科学，益富心得。1936年10月22日，陈烈被授予国民革命军少将军衔，出任第十四师师长。

    1939年7月5日，陈烈升任五十四军军长。9月中下旬，日军分3路进攻长沙，中国军队分途迎击，陈烈率四十师和二十三师警备于洞庭湖一带。

    驻富宁月余，军民相安，共同御敌。陈烈牙痛复发，痛牙拔了之后，其下腭出现红肿，经德国犹太人医疗队会诊，确定为拔牙中毒得了败血症，急需血清注射。于是电请云南省***龙云代购并设法空投。电报尚未发出，陈烈已与世长辞，时为1940年10月31日，享年38岁。