参与领导南昌起义，代理红军前敌总指挥。在回师广东途中，叶挺率部两战会昌，均以少胜多。刘伯承称赞他“没有见过一个军人在兵临城下万分危急时刻，能够像叶挺那样沉着”。
由于陈独秀的右倾投降主义错误，致使另一支反革命势力汪精卫集团肆无忌惮地进行反革命活动。夏斗寅叛乱刚被平定，许克祥又在长沙发动了反革命叛乱(马日事变)，两湖地区革命运动遭到严重破坏，共产党人和革命群众被杀害的事件频频发生。对此，叶挺忧心忡忡：“夏斗寅袭击，许克祥叛变长沙，武汉政府及军队益为动摇，湖南的工农及我们的同志，已决心进攻长沙，消灭唐生智的势力，当时我们的党仍主让并制止勿动”，“两党的分裂已成万不能免之势。但我们仍是让步，保持合作，并没有坚决的作进攻的准备。”
叶挺曾就武汉的局势与恽代英等交换意见，一致认为汪精卫的叛变已是确定无疑的，因此加强自己的武装力量，随时准备应付突然事变的发生是势在必行。他以前曾谴责蒋介石是第二个陈炯明，现在他又揭露汪精卫就是第三个陈炯明。他一方面要求部队随时保持高度的革1927年南昌起义时的叶挺。命警惕，另一方面则加强部队的军事训练，注意发展和充实部队的革命骨干力量。遵照党中央中央军委书记周恩来的指示，叶挺接纳了许多外地因受反革命势力迫害而投奔武汉的革命青年。粟裕对此曾回忆说：“二十四师是我党控制的武装力量，叶挺同志是师长。当时各地进步的人多遭通缉或追捕。为了收容两湖地区的被迫害的青年学生和工人，培养未来的下层军事干部，在二十四师成立了教导队。不到半月，就有一千多名学员，几乎是清一色的党、团员。”在教导队的政治教育上，除了固定的政治课外，还经常请共产党的一些领导人如周恩来、恽代英、瞿秋白、叶挺等人来作报告。
7月11日，叶挺的二十四师、二十五师及贺龙的二十军，随二方面军“东征讨蒋”，开赴九江。但叶挺并没有被汪精卫的“革命行动”所蒙蔽，他预感到反革命政变快要到来，部队进抵九江后，便加紧进行严格的军政训练。他一再教育部队说：我们一定要认真操练，准备流血牺牲，大流血的日子可能就要到来了。
此时，党中央领导人陈独秀仍坚持其退让路线，没有意识到自己的错误领导给革命带来了多大的损失。7月12日，党中央召开紧急会议，决定排除陈独秀的错误领导，成立了由周恩来、张太雷、李维汉、李立三及张国焘等人组成的“中央临时政治局常务委员会”，并作出了在湘、鄂、赣、粤四省发动“秋收暴动”的决定。中央常委会还获悉九江方面张发奎控制的第二方面军也日趋走向反动，因此又决定叶挺、贺龙的部队于九江、南昌一带举行武装起义。据周恩来回忆：“八一起义前，几个临时负责人瞿、张和我就酝酿起义。当时动员的有叶挺的十一军和贺龙的两个师。”
7月15日，汪精卫集团分共清党，与蒋介石公开同流合污，大革命归于失败。这时，不少党的领导干部和国民党左派进步人士转移到九江，他们希望驻防九江的叶挺等率领的革命武装能够奋起抗争，挽救中国革命。叶挺亦深知自己所担负的责任，在党中央作出南昌起义的决议后，他便积极投入到了起义的准备工作。
为了加强对起义的领导，党中央决定组成以周恩来为书记的前敌委员会。作为这次起义的领导核心，周恩来随即从武汉赶到南昌，传达了中央的决定，并具体负责武装起义的筹划工作。
经过紧张的准备，决定于8月1日向南昌城内外之敌发动进攻，前委由贺龙、叶挺、谭平山、周恩来等组成的国民党特别委员会的主持这次起义。叶挺于7月31日起草了作战命令，决定8月1日4时攻城。
当晚，叶挺回部队后，立即向全师营以上干部传达了举行南昌起义的决定，他说：“宁汉合作已成定局，国民革命遭到严重的危机。中央决定实行武装起义来挽救目前的危局，粉碎反革命的阴谋。这次行动的具体任务，就是占领南昌城，彻底消灭南昌城内外的反革命军队。”
起义由于一名军官告密而于8月1日凌晨2时提前打响，叶挺指挥所属部队按照既定部署发起攻击。尔后，他同周恩来到战斗打得最激烈的松柏巷指挥战斗，消灭了守在巷内天主教堂的国民党第六军第五十七团，整个战斗过程用了4个小时，彻底消灭了南昌城内外的敌人。8月1日下午，由叶挺独立团扩编的第四军第二十五师，在聂荣臻领导下，在南浔线上的马回岭参加起义，于8月2日胜利开赴南昌城。至此，起义计划完成。
起义胜利后，前委对部队进行整编，任命叶挺为代理前敌总指挥兼第十一军军长。8日，他按照预定的计划，南昌起义部队南下挥师广东，决心重建革命根据地。
8月下旬，叶挺率部进入瑞金地区，遇到蒋介石和李济深派来的两股敌军的堵截。其右路是钱大钧在瑞金之南的会昌一带集结的三个师，其左路在瑞金以西的于都黄绍竑两个师，两军互为犄角。8月26日，起义军东路先头部队击溃王田之敌，于次日占领了瑞金。起义指挥部在瑞金商议了对敌方针，决定趁黄绍竑部未赶来与钱大钧会合之前攻打会昌，以创造继续前进的有利战机。据此，前委决定由叶挺率部从西江、洛口迂回到敌人侧后，以贺龙率二十军主力于瑞金附近担任策应，合力进攻会昌。31日，叶挺指挥部队与钱大钧进行反复拼杀，二十五师占领了寨山东，二十四师攻上了会昌屏障岚山岭主峰。贺龙、朱德指挥的部队也向敌人猛烈攻击，使敌人全线溃败，起义军占领了会昌城。
起义军攻打会昌时，黄绍竑部被叶挺留下的一营疑兵所迷惑，不敢轻进。直到钱大钧部已被击溃，黄绍竑还不知道，观望多时后，才向会昌开来。这时，会昌只留下十一军在休整，叶挺急忙迎战，在城北与敌激战数小时，难分胜负。叶挺把二十五师师长周士第、党代表李硕勋找来，对他们说：“仗不能再拖下去。我把一部分机枪集中起来，压住敌人的火力，你们率领全体官兵，冲锋号一响就冲上去，用刺刀、手榴弹在半小时内解决战斗!”部队重新部署后，战斗重新打响，军号齐鸣，机枪、步枪、手榴弹一齐打响，战士们在杀声震天中向敌人发起冲锋，杀得敌人丢盔弃甲，连连败退。黄绍竑这才弄清钱大钧部早已不在会昌城内，慌忙逃窜。
两战会昌，都是敌众我寡。但叶挺刚毅果断，临危不乱，在很短的时间内连胜两仗，又一次显示了他的军事才干。刘伯承称赞说：“我见过的将领很多，没有谁像叶挺那样沉着、坚定。”
起义军经两场恶战后，增加了许多伤病员。长途跋涉到达广东后，又在三河坝和潮汕两次分兵，以致主力进到揭阳汤坑地区后，被强大敌人分路围攻，终于遭到失败。以叶挺独立团扩编的第二十五师在三河坝突围后，余部由朱德和陈毅率领，经过长途转战，于1928年4月与毛泽东领导的秋收起义部队会师于井冈山，成为中国工农红军第四军的重要组成部分。
领导广州起义，任总指挥，又出任工农红军总司令，主张乘胜撤离广州，以保存革命力量，遭否定，起义失败。遭到无端指责，周恩来及时开导了他，使叶挺认识到“干革命，成功不必自我”。
潮汕失败后，叶挺、聂荣臻等陪同身染恶性疟疾的周恩来先是在陆丰乡下隐蔽养病，后在中共地下党组织的帮助下，辗转去往香港就医。而这时中共广东省委书记张太雷，正在积极筹备广州的武装起义。同时省委决定，广州起义红军总指挥仍由叶挺担任。
1927年12月10日午后，叶挺从香港秘密回到广州。他从起义军参谋长徐光英、教导团团长李云鹏了解到了起义准备情况，研究了有关的作战问题。11日凌晨2时，叶挺到第四军教导团驻地四标出席了誓师大会。在张太雷、恽代英讲话后，叶挺作了简短发言。在发言中，叶挺指出大革命失败的原因在于我们没有武装，没有政权。因此，广州起义的任务就是要夺取武装，夺取政权。
会后，叶挺率教导团第五连和炮兵连，直奔沙河燕塘攻下敌人的炮兵团，缴获了30多门火炮和大批枪枝弹药。而后乘车到设在国民党广州市公安局的起义总指挥部，指挥起义军和赤卫队进攻观音山、石围塘车站和长堤第四军留守处等敌人据点。但长堤的第四军军部大楼是敌人顽固拒守的地方，起义军打了一天也没能突破。
11日夜，总指挥部开会研究军事形势，叶挺立足全局，考虑到我军已由进攻转为防守的形势，提出了撤出广州的建议。他的理由是：暴动几个小时内，攻下几十个据点，俘敌两千余人，竖起了苏维埃旗帜，成立了工农政府，已取得武装反抗国民党反动统治的重大胜利。而敌军的首脑人物出逃在外，他们勾结帝国主义势力准备向我反扑，西江、东江、北江的敌人必定很快回师广州，为了避免四面受敌的危险，应当趁敌人大军来到之前，把缴获的大批武器武装参加暴动的工人，尽快组成几万人的队伍，撤出广州，越快越好。之后，或向北与朱德领导的部队会合，或向东与海陆丰红二师会合，把革命力量保存下来，再作打算。
叶挺的正确意见遭到共产国际代表威尔曼的反对，他认为搞起义只能“进攻，再进攻”，决不能后退，他指责叶挺主张撤出广州，是军事上无能，政治上动摇，是想当土匪。张太雷是起义最高领导人，很有才华，但是，他以书生带兵，军事上缺乏经验，他渴望苏维埃政权在广州站住脚，进而扭转全国的革命形势，因此也不同意撤退。叶挺的意见遭否决。
12日，各路敌军纷纷涌来，珠江南岸的李福林部已开始乘船渡江，向江北进犯；江门、佛山、肇庆、韶关等地的敌人也先后到达广州；帝国主义军舰上的水兵纷纷在广州登陆，向起义军展开攻击。
敌人的进攻不断升级，12日中午时分，敌军一个先头团占领了广州全市的制高点观音山，观音山一丢，起义军十分被动，叶挺下令立即夺回这个制高点。一声令下，教导团和炮兵部在赤卫队的配合下，发起猛烈进攻，他们奋不顾身，英勇作战，与敌人近距离拼杀，终于将这个制高点夺了下来。
黄昏时分，观音山再次陷入敌手，敌我之间已展开短兵相接的巷战。我军在处于劣势之时，再坚持下去只能增加无谓的牺牲，必须立即组织部队撤退。撤出的人员，大部分转移到海陆丰，小部分转入北江和广西等地。但即使当时撤退也已错过了时机，大批起义官兵未来得及躲过敌人的魔爪，叶挺对此心痛不已。
广州起义失败后，叶挺化装潜入香港。中共广东省委新任负责人在偏颇情绪的促使下，夸大起义军领导人的失误，将责任归究于叶挺，指责叶挺等人对起义“消极”、“动摇”，致使起义失败，给予叶挺留党察看的处分。叶挺不接受这种不符合事实的责难，于1928年春到莫斯科，写出书面报告，向共产国际提出申诉。但共产国际中国部负责人抱着对中国革命失败不满的成见，对叶挺不予理会。
叶挺投诉无门，又遭到排斥，心情十分郁闷，遂独自离开莫斯科，同党脱离了关系。周1928年叶挺在莫斯科饱受指责。恩来在1944年3月的《关于党的“六大”的研究》一文中写道：“广州起义失败后，叶挺到了莫斯科，共产国际代表还说他政治动摇。共产国际没有人理他，东方大学请他作报告，共产国际也不允许他去。这样，他就离开党跑到德国去了。这件事我们应该给叶挺伸冤。”
叶挺从苏联出走后，先后辗转到德国、奥地利、法国、新加坡和澳门等地，度过了十年流亡生活。初到欧洲时，他对革命的前途悲观失望，精神忧郁，不仅闭门谢客，而且加入了一个提倡素食的团体。1928年冬，周恩来由苏联经欧洲回国时，找到叶挺，批评了叶挺的悲观情绪，对他说：“我们总不能放弃革命不干啊!干革命，成功不必自我。”使叶挺受到不小的触动。
渐渐地叶挺愈来愈多地听闻了各种国内政治演变的消息，朱德、毛泽东在井冈山开辟了革命根据地，贺龙、周逸群、陈毅等这些曾经并肩作战的老战友，又义无反顾地扯起了新的革命大旗。这一切给予叶挺很大鼓舞，他开始不再消沉，他时刻关心着国内的时事，发奋攻读军事着作，准备着有朝一日回国参加革命斗争。
“九一八”事变后，东北三省沦陷了，全国掀起抗日高潮，叶挺再也按捺不住了。不久，叶挺举家迁回澳门，各派势力都争相拉拢叶挺。蒋介石就曾命令陈诚等人游说叶挺到国民党去担任军职，叶挺以不抗日则不任职予以回绝。广东的陈济棠，也派亲信副官带着厚礼，到澳门找叶挺，要他到广东任职。叶挺明确地说：“我叶挺回国是抗日的，不是做官!”陈济棠讨了一脸的没趣。
1933年冬，十九路军将领蔡廷锴、蒋光鼐与国民党内李济深等一部分反蒋势力，发动福建事变，成立抗日反蒋的“中华共和国人民革命政府”，叶挺应邀到福州参与其事。福建事变失败后，叶挺回到香港，常与同样避居香港的李济深、陈铭枢、黄琪翔等人讨论反蒋抗日问题。
革命事业几经反复，叶挺始终保持着坚贞的政治节操和高尚的革命品德，等待着党的召唤，随时准备投入革命斗争中去。
