８月，根據中共中央的指示，紅３軍團與紅１軍團組成紅一方面軍。從此，鄧萍指揮紅５軍，在朱德、毛澤東的親自指揮下，參加了中央蘇區歷次反“圍剿”。１９３３年７月兼任紅軍東方軍參謀長，參與指揮所部入閩作戰。在中央蘇區，鄧萍南征北戰，戰功卓著，成為紅軍的著名將領。期間，鄧萍兼任紅５軍隨營學校教育長，參與創建中國工農紅軍學校，任副總隊長兼教育長，培養了大批紅軍干部。１９３４年１月，被選為中華蘇維埃共和國中央候補執行委員。

１９３４年１０月參加長征，協助彭德懷指揮紅３軍團擔任右路前衛，連續突破國民黨軍４道封鎖線，掩護中央紅軍主力、中共中央機關和中革軍委機關突圍。遵義會議后，在毛澤東的正確指揮下，鄧萍與彭德懷指揮紅３軍團縱橫馳騁在黔北、川南地區，兩渡赤水河，激戰婁山關，直逼遵義城。１９３５年２月２７日，鄧萍在指揮部隊攻打遵義老城時被子彈擊中頭部，壯烈犧牲，年僅２７歲。鄧萍不幸犧牲的消息傳到軍團指揮部，彭德懷十分悲痛，他流著眼淚向部隊下達了攻城命令：“拿下遵義城，為參謀長報仇。”紅軍攻下遵義城后，紅１１團政治委員張愛萍揮筆寫下一首挽詩：“長夜沉沉何時旦？黃埔習武求經典。北伐討賊冒彈雨，平江起義助烽焰。‘圍剿’粉碎苦運籌，長征轉戰肩重擔。遵義城下灑熱血，三軍征途哭奇男。”新中國成立后，遵義人民政府找到鄧萍烈士的遺骸，遷葬在碧水環繞的鳳凰山上。