1935年1月在贵州召开的中共中央政治局扩大会议（即遵义会议）上，陈云坚决支持毛泽东的正确主张。会后，陈云没有和红一方面军战友继续走完长征，而是在走了长征全程近一半的时候悄然“消失”，很多人不知道陈云究竟在那段时间去了哪里。只有少数的中央领导人知道陈云的去向，而陈云则深深感到自己肩负着党和中央的重托，为了党和人民的革命事业，自己未来的行程将更为艰难、危险
肩负中央秘密使命，悄然离开长征队伍
红军长征开始后，蒋介石一边调集部队对红军主力进行围追堵截，一边疯狂破坏我党在白区的地下组织，致使上海的组织系统遭到严重破坏。以往，中央与共产国际的联系大都是通过上海的地下组织进行联络，组织遭到破坏后，中央与共产国际的联系中断。而就在这个时候，中央红军唯一的一部100瓦大功率电台也在湘江战斗中毁坏，致使党中央和红军彻底与共产国际失去了联系。渡过湘江后，为了重新建立与共产国际的联系，党中央曾派出一名同志前往上海与地下党联系，但是未能成功。
1935年1月15日至17日，中共中央政治局召开了意义重大的遵义会议。在遵义会议上，陈云发言肯定了毛泽东关于红军作战的基本原则，坚决支持毛泽东等人的正确主张，会议增选毛泽东为中央政治局常委，确立了以毛泽东为核心的党中央的正确领导。
由于陈云在红军长征初期的出色表现，他在中央红军中的威望越来越高。遵义会议后，中央认为有必要将长征和遵义会议的有关情况及时通报共产国际，同时也要恢复白区党的组织，以配合红军主力的作战。于是，中央决定再次派代表到上海去完成这一使命，这是一项极为艰巨的任务，派谁去呢？党中央经过再三考虑，认为陈云和潘汉年对上海的情况比较熟悉，具有丰富的地下工作经验，是承担这一使命的最合适人选。
这一决定是中央的核心机密，只有少数几个人知道。遵义会议届，中央认为陈云去上海的时机尚未成熟，因此仍留他在红一方面军指挥部队长征。中央常委同时决定，由毛泽东、张闻天、陈云到各军团干部会议上传达遵义会议的决议。陈云为此撰写了《遵义政治局扩大会议传达提纲》，并在红军过威信至鸭溪的路上向部队进行了传达。红军三渡赤水后，中央决定成立由毛泽东、周恩来、王稼祥组成新的“三入团”，全权指挥军事。为了进一步摆脱敌军的围追堵截，中央红军决定北渡金沙江，转入川西。这时，陈云的组织指挥才能已经引起毛泽东的重视，认为他有能力。于是，在中央红军由云南禄劝县西北的皎平渡口北渡金沙江时，陈云和刘伯承分别被任命为渡河指挥部的政治委员和司令员，与毛泽东、朱德、周恩来共同组织渡江，周恩来和陈云在南岸组织部队上船。部队渡江以后，陈云参加了中央政治局会理会议，在冕宁的总政治部驻地接见了中共西昌特支的负责人，了解了西昌和冕宁两地地下党的情况，商量建立冕宁县革命委员会事宜。随后又配合周恩来召开了由当地干部参加的总政地方工作会议，成立了冕宁县革命委员会，会后陈云为革委会起草了布告，他还主持了几位地方积极分子的入党仪式。之后，陈云指挥部队通过了彝族区，又过了大渡河，到达泸定县城。在这里，陈云参加了中央负责人会议，这次会议做出了两项决定：一是中央红军向北走雪山草地一线，避开人口较为稠密的地区。二是中央决定派陈云去上海恢复白区党的组织，并立即出发。
1935年6月上旬，根据党中央的指示精神，陈云在四川天全县地界，极为神速和隐蔽地悄然离开长征队伍，赶赴上海。步步为营，险象环生的上海之路
在四川，陈云人地生疏，又满口上海话，很容易被人认出来。而此时，蒋介石正坐镇四川成都指挥“围剿”红军，国民党在四川境内的军警特务遍地都是，陈云在出川的路上稍有不慎，即可能落入敌人之手。
为了确保陈云的安全，党组织特地安排了熟悉四川情况又机智勇敢的当地地下党员席懋昭（公开身份是天全县灵关殿小学校长）护送陈云出川。出发那天，细雨濛濛，天色昏暗。陈云和席懋昭化装后悄悄离开长征队伍，准备绕道荥经县，经雅安奔成都、重庆。为了避开追击红军的敌军，他们由小道向荥经县进发。没走多久，从后面跑上来一个人，只见他浑身是泥，慌慌张张，跑得上气不接下气。原来，这是中央为了确保陈云的安全，事先做出的安排：此人是荥经的一个地主，任国民党天全县教育局局长，在准备逃往荥经时被红军抓获。中央认为可以利用国民党的这个教育局长帮陈云过荥经。于是，红军便把他押往灵关殿，待陈云与席懋昭离开灵关殿后，有意让他逃跑。见这个教育局长已赶上前来，席懋昭主动与他搭话，说他和陈云是为了躲避红军而逃的。这个教育局长信以为真，便讲了自己的实情，三人决定结伴去荥经。
从灵关殿至荥经，全是崎岖的山路，十分难行。陈云一行翻山越岭，多次避开敌人的追击部队，国民党的这个教育局长同这一路上的民团很熟悉，有他同行，所到之处，民团都很客气地放行。第二天，他们便顺利地到达荥经。陈云和席懋昭翻过一个陡坡来到一个不知名的小镇上。刚到街上，只见那边一队队国民党士兵迎面跑过来。席懋昭不禁心头一紧，看了身边的陈云一眼。陈云微一皱眉，低声说：“继续走，今晚咱们就住这儿。”席懋昭乍一听，有些吃惊，但很快就明白了陈云的意图。他三步并作两步赶上陈云，进了镇中的一家客店安顿好，然后到附近找了个茶馆坐下，边喝茶边了解镇上的情况。原来这是追击红军西去的一股川军。第二天，敌人开走，陈云两人也继续朝相反的方向走去。在后来的路上，陈云化装成江浙商人。因为他对商人这个行当比较熟悉，满口行话，加上他有着丰富的地下工作经验，外人很难看出他的破绽。席懋昭是本地人，对当地情况比较了解，人又非常机智。因此，他们二人顺利地通过了雅安。几天后，又平安到达成都。
在成都，陈云拿着刘伯承的一封亲笔信，来到了刘伯承的好友、美丰银行董事胡公着家里。胡公着十分惊奇，他一方面为陈云的勇气所折服，同时也为陈云的安全担忧。他告诉陈云，蒋介石唯恐红军进入四川腹地活动，在成都一带布下了重兵，增加了岗哨，整个成都戒备森严，过往行人都要受到严密的盘查，警察也经常在夜间闯入居民家中查验户口。在这种情况下，稍有不慎，即可能招来杀身之祸。陈云看到成都不便久留，在胡公着处逗留一夜之后，第二天便离开成都前往重庆。
在重庆，陈云又拿着刘伯承的亲笔信敲开了刘伯承弟弟家的大门。刘伯承的弟弟开了一家药铺，经常有人来往，活动比较方便，陈云就在这里住了下来，托人购买到上海的船票，准备前往上海。几天后，陈云告别了刘伯承的弟弟和几十天来一直护送自己的战友席懋昭，一个人坐上了前往上海的轮船。经过几日的颠簸，安全到达上海。
来到上海后，陈云发现此时的上海与以前大不相同，白色恐怖更加严重。陈云一时没有与地下党取得联系，加上他仅从报纸声明的叛徒名单中就发现有70多人认识自己，因此他只好先去找老朋友、时任上海浙江实业银行副总经理的章乃器。初步安顿下来后，陈云开始着手恢复上海地下党组织的工作。不想，工作刚刚有了点进展，中共上海局和中共江苏省委又一次遭到敌人破坏。7月22日，上海临时中央局的几位同志被捕，两天后，共青团中央局也遭到破坏。
为完成党的使命，远赴莫斯科
困难吓不倒刚毅而坚定的革命者，却激励着他们为实现革命的理想去奋斗。后来，陈云多方努力，终于通过章秋阳找到了瞿秋白的夫人杨之华和何叔衡的女儿何实嗣，并通过她俩与共产国际驻上海的联络员取得了联系。在苏联莫斯科的中共驻共产国际代表团了解到上海地下党又一次遭到破坏的情况后，电示陈云和由香港前来与陈云会合的潘汉年，尽快离开上海赴莫斯科参加共产国际第七次代表大会。
当时从上海去莫斯科的主要路线有三条：一是取道哈尔滨，坐火车经西伯利亚，再向西，可是这时东北已经被日本侵略军占领，这条路极不安全；二是绕道欧洲，乘船前往，这条路最安全，但费用高，用的时间也长；三是从上海坐船到海参崴，再转火车到莫斯科。陈云经再三斟酌，选择了这最后一条路线。
1935年8月5日前后，在宋庆龄的帮助与安排下，陈云和正在上诲的中共（江西）中央分局委员陈潭秋、江西省委书记曾山，以及杨之华、何实嗣等人秘密搭乘苏联货船到海参崴。在这里，为掩入耳目，苏联当局派人把他们一行作为偷渡者押下船，然后又把他们送上火车。陈云一行于8月20日到达莫斯科。潘汉年于9月上旬抵达。此时，共产国际七大已经闭幕，青年共产国际六大正在召开，陈云和陈潭秋等作为中共驻共产国际代表团成员出席了大会。
在莫斯科，陈云参加了中共驻共产国际代表团的工作，任监察委员会委员，化名“史平”。长征前，共产国际通过往来的电报对中国革命的一些情况有所了解，但长征开始后不久，这种联系就中断了。共产国际的同志们迫切希望了解中国革命特别是红军的近况，陈云的到来令他们喜出望外，陈云向共产国际执委会书记详细报告了中央红军向西北转移及遵义会议的情况，使共产国际了解了中国红军长征前失利的原因和遵义会议的重大意义，了解了中共新的中央特别是毛泽东的正确领导。
然而身处异乡的陈云特别挂念正在长征中的战友。他想，自己虽然不能直接投身于祖国的革命斗争，也要以另一种方式为革命做贡献，他要以笔为刀枪，让世界包括国民党统治区的人民了解奋斗不息、战斗不止的中国共产党领导下的人民军队。于是他写下了《随军西行见闻录》一书。书中除对中央红军主要领导人进行了描写外，还深刻阐述了红军广泛的群众基础和深得民心的原因。陈云还从中华民族生死存亡的高度宣传了中国共产党的国共合作抗日立场，表明了中国共产党人诚挚的爱国情怀。1936年春，《随军西行见闻录》首先在法国巴黎华侨组织主办的《全民月刊》上连载。同年夏天，又在莫斯科中文出版社出版了单行本，很快便流入到国内的日军占领区和国民党统治区，让身处困境中的中国人民看到了中华民族复兴的希望。
在莫斯科时，陈云同陈潭秋、曾山、孔原、膝代远等一批中共领导人一起进入列宁学院学习。陈云主要学习政治经济学，还学习列宁主义问题、西方革命史、中国革命问题、中共党史和英文。在此期间，而立之年的陈云认真学习学院编写的教材。在业余时间，他还系统阅读了马列原著以及经典作家关于工农运动、阶级分析与阶级斗争等方面的论述，深刻地领会了马克思主义精辟论述中的关于未来新社会的精神。
返回新疆，迎接西路军归来
西路军在宁夏战役失利以后，过河西入河西走廊。党中央和毛泽东一直密切关注着西路军的情况。1936年12月，中共驻共产国际代表团决定组织一个既代表共产国际又代表中共中央的代表团，由在莫斯科工作的陈云任团长、滕代远任副团长，组织力量迎接西路军。
1936年12月8日，陈云即率代表团前往阿拉木图（今哈萨克斯坦首都），后又到邻近新疆的苏联边境重镇霍尔果斯，住在苏军一位中校军官家中，准备与驻新疆的军阀盛世才进行谈判，援接西路军。1937年3月23日，西路军用仅有的一部电台与中央取得了联系，并接到中央的电示：左支队“应团结一致，保存力量，前进的方向是新疆或蒙古，设法去新疆，并将派陈云和滕代远去迎接”。左支队接到中央的电报后，立即决定向新疆进发。
4月中旬，正在焦急中等待任务的陈云终于收到了中共驻共产国际代表团的电报，要他们急速前进，赶到星星峡地区，接应西路军。陈云等人立即乘坐国民党新疆督办盛世才派来的汽车，经伊犁前往新疆省会迪化（今乌鲁木齐）。4月11日，左支队在李先念等人的率领下走出祁连山，开始向新疆前进。4月20日，他们又接到毛泽东、朱德电示：“远方（指共产国际）对于西路军进入新疆转远方求学问题已决定了。为此西路军必须到达星星峡，他们（指陈云、膝代远等）在该地迎候你们。”26日，左支队在前进中又遇强敌，部队再次受到重大损失，经全体指战员拼死战斗，当晚摆脱敌人，向甘肃、新疆边界前进。左支队400多人在断水断粮的情况下，不仅挑战戈壁荒漠，而且挑战生命极限，第一批指战员终于在4月27日5点左右来到甘肃和新疆交界的星星峡。
由于陈云事先已与盛世才进行了谈判，做了大量工作，盛世才同意指令其边务处星星峡办事处的军事人员和边卡驻军以和平方式迎接西路军左支队。与此同时，陈云、滕代远等人乘盛世才派出的车队由迪化出发赶往星星峡。在途中，陈云得知西路军左支队已有指战员进入新疆的消息后，立即给盛世才星星峡边务处打电话，要求他们友好地接待左支队的红军同志，让他们就地休息。西路军左支队的第一批人员到达星星峡时，受到了热情的接待。
就在陈云等刚刚为西路军保存下来的力量找到一个安身的地方的时候，在哈密有一股匪军公开叫嚣反对西路军入疆，陈云所率车队在路上与他们的马队激战，陈云指挥部队将匪军击溃，扫清了迪化至星星峡的道路。5月1日天刚放亮，陈云、滕代远等率几十辆汽车带着大批生活用品来到东疆的星星峡。这时，西路军左支队走到这里的只有400多人，其中军师级干部14人，团以上干部100余人，无线电报务人员26人，医务人员23人，全体人员中党团员占62%。陈云与李先念等人一一握手，代表中央向左支队的指战员进行亲切慰问。西路军的战友们历经艰险，九死一生，见到陈云，如见到了亲人，泪水止不住地往下淌。即便是那些身经酉战的红军将领，看到陈云同志代表党中央迎接他们，肯定他们的浴血奋战对人民革命事业的贡献，鼓励他们为建立新中国勇往直前时，都感慨万千，激动的泪水夺眶而出。
望着疲惫不堪的西路军指战员，看着一个个衣衫褴楼、面黄肌瘦的战友，陈云心里像刀割一样难受，他说：“有什么话，有什么事，以后慢慢说，你们先给我执行两项任务，第一要吃好饭，第二要睡好觉。”为了让同志们尽快恢复体力，他把带来的物资分给每一位西路军战友，每人1套棉衣、1套单衣、1套衬衣、1双皮鞋、1个瓷杯、1双筷子，还有大批的羊肉、苏联的纸烟和白糖。同时，陈云还要盛世才再运一批物资过来。在他的要求下，盛世才两次派飞机空投衣物、粮食、枪支、弹药等。西路军400余名指战员在陈云同志的关怀下，很快恢复了体力，士气大增。
5月4日，陈云带领西路军左支队的400多人分坐几十辆大卡车去迪化。7日，部队驻进迪化一个尚未启用的纺织厂工人宿舍。陈云是将西路军保存的革命力量置于中国革命的总的格局中加以考虑的。卢沟桥事变以后，为了适应新的形势，陈云克服重重困难，在新疆为西路军开办了我军第一所多兵种综合技术学校。经过不长时间的学习，绝大多数学员从不会写自己的名字到能进行一些简单的算术运算、能掌握两三干个单字、能记笔记、能阅读书报，有的甚至还能写一些心得体会文章。以后又根据陈云同志的建议，西路军保存下来的革命力量继续在新疆学习现代军事技术。在新疆，陈云向西路军将士进行革命理想的阐释，对指战员生命价值进行悉心的关护，对革命同志的个体之维和革命事业之维的互融及其革命理想的追求进行了诸多思想引导和实践帮助，为抗日战争和人民解放战争保存和发展了革命力量。
1937年11月中旬，陈云奉命调回中央工作。至此，阔别中央两年多的陈云回到了战友的身边。从受命离开到完成使命回归，陈云长途跋涉，经成都、重庆，辗转上海，远赴莫斯科，返新疆，行程近半个地球，是长征后行程最远的中国共产党的领导人。