陳獨秀被逮捕後，思想文化界人士和北大師生紛紛展開營救陳獨秀活動。李大釗四處奔走，給北洋政府製造輿論壓力。陳獨秀作為思想界領袖人物，在當時有著巨大影響力，他的被捕立刻引起北京媒體高度關注，《晨報》、《北京日報》率先對此事作出報道，引起社會輿論大嘩，全國各地報刊爭相轉載報道，社會各界也函電交馳，強烈譴責北洋政府，要求釋放陳獨秀。
在社會各界的強大壓力下，經多方營救，9月16 日，北京警方在北洋政府授意下，同意由安徽同鄉會以陳獨秀有胃病為由，將其保釋出獄。高君曼經曆了3個多月的擔驚受怕，如今見陳獨秀平安歸來，喜極而泣。這場磨難讓兩人盡釋前嫌，重歸於好。
然而，陳獨秀雖然出獄，但並未獲得全部人身自由，行動仍受到監視與限製，並被警方告知，重大行動需征得政府批準。1920 年1 月底，陳獨秀悄悄離開北京，到上海與章士釗、汪精衛等人商量籌辦西南大學事宜，並受邀至武漢講學。2 月4 日，陳獨秀抵達漢口，5 日到7 日先後在文華學校、武昌高等師範學校發表演講，提出“改造社會三方法”：一、打破階級的製度，實行平民社會主義，人人不要有虛榮心；二、打破繼承的製度，實行勞動共同工作，不使無產業的苦，有產業的安享；
三、打破遺產製度，不使田地歸私人傳留享有，應歸為社會的公產，不種田地的人，不應該享有這田地的權利。
同時還提出兩個信仰，即“平等的信仰”與“勞動的信仰”，在武漢各界引起轟動，各報爭相報道與轉載，引起湖北當地政府的注意與恐慌，隨即勒令陳獨秀停止演講，速離武漢。
7 日晚，陳獨秀返回北京。不料北京警方已發現他秘密離京，隨即在火車站和陳宅附近布網，準備將其再次抓捕入獄。
李大釗提前得到消息，立刻派人到火車站等候陳獨秀，將他轉移到安全地方。然而卻陰差陽錯，陳獨秀不僅與李大釗派出的人錯過，也在不知不覺中躲過了軍警的視線，安全返回家中。
陳獨秀到家不久，便有軍警上門，一看陳獨秀在家，不由得大吃一驚：“陳先生，你回來了，你怎麽不說一聲就離開北京呢？”
“家中有點急事，無須花費太多時間，就沒有通知你們。”
軍警沒與陳獨秀多說，便匆匆離去。陳獨秀頓時覺得不對勁，立刻去了胡適家中，接著又到了李大釗家。李大釗見所派之人沒有接到陳獨秀，正焦急萬分，不料陳獨秀自己找上門來，真是大喜過望。由於李大釗是警方眼中的第二號“危險人物”，其家中也非安全之地，隨後李大釗將陳獨秀暫時安排住到其老鄉北大化學係教授王星拱家中，然後商議如何逃出北京。
由於警方已在車站及主要場所布控，為了安全起見，李大釗雇了一輛騾子車，於2月中旬的一個夜晚專程送陳獨秀前往天津。此時已臨近春節，天寒地凍，兩人喬裝後坐在車上，一路暢談，李大釗提議建立布爾什維克式的政黨，在中國走蘇俄道路。陳獨秀聽後，十分讚賞，達成建立中國無產階級政黨的共識，並留下“南陳北李，相約建黨”的佳話。
陳獨秀一向心高氣傲，很少真正佩服過幾人，而李大釗便是其中一位。
他曾稱讚李大釗“生平的言行，誠如日月之經天，江河之行地，光明磊落，肝膽照人”。有朋友問他：“都說‘南陳北李’，你比北李如何？”陳獨秀則由衷歎道：“差之遠矣。”
李大釗將陳獨秀送到天津，看著他上了南下上海的外輪，這才放心地返回北京。2月19 日，陳獨秀抵達上海，住進法租界環龍路老漁陽裏2號。這是李大釗在北京聯絡了在滬的許德珩、張國燾，由他們幫陳獨秀找到的住所。安頓好一切，陳獨秀讓高君曼攜子女南下，一家得以團圓。
到滬後，好友汪孟鄒、潘讚化等人紛紛登門拜訪，談及陳延年、陳喬年赴法勤工儉學之事，大家不禁唏噓。早在年前的一個夜晚，潘讚化路遇陳延年，見他還穿著秋天的薄呢袍，凍得瑟瑟發抖，便叫他去自己家，給他找件棉衣，卻被陳延年拒絕。
赴法前兄弟倆回了一趟安慶，祖母和母親見兩人衣衫破舊麵色憔悴，十分傷感，要給兩人添置新衣，兩人考慮到家境不好，也拒絕了。而赴法必須的400 元旅費，是吳稚暉給上海留法勤工儉學執事沈仲俊寫信，終於為陳延年等人“覓得船位西行”。
對此，陳獨秀不以為然，他認為年輕人就是要多吃苦，經受鍛煉，倒是高君曼聽得一陣陣心酸，被陳獨秀視為“婦人之仁”。
在上海安定下來後，陳獨秀即開始籌劃建黨事宜。當年4 月，由李大釗介紹的一位俄國客人維經斯基走進陳獨秀的宅邸，隨行的有翻譯人員俄籍華人楊明齋。楊明齋向陳獨秀介紹，維經斯基任職於設在伊爾庫茨克的第三國際遠東局，此行目的便是物色中國共產主義運動的領袖人物，打算在上海建立共產國際東亞書記處，以便在華開展共產主義工作。
陳獨秀聽了楊明齋的介紹後異常興奮，當即向維經斯基表示，他早就同李大釗商議在中國建立布爾什維克式黨的事宜，若能得到共產國際的幫助，建黨一事會順利許多。
維經斯基經過一番考察，向共產國際匯報工作時首先介紹了陳獨秀的情況，稱他是“當地的第一位享有很高聲望和很大影響的教授”，並特意提到“雜誌《新青年》（是月刊） 由北京大學教授陳獨秀博士出版”。然而他並不知道，陳獨秀並沒有獲得博士學位。
1920 年5 月，陳獨秀在共產國際的幫助下，與李達、李漢俊等人在上海組織了一個馬克思主義研究會，作為建黨準備機構。8 月，上海的共產黨早期組織成立，取名“中國共產黨”。這是中國第一個共產黨的組織。接下來，陳獨秀、李大釗等人的四處活動，北京、武漢、濟南、廣州和日本東京等地，相繼成立共產黨小組或支部。
在陳獨秀籌劃建黨時， 《新青年》已經遷至上海，此時成為共產黨的機關刊物，開始對馬克思主義進行係統宣傳。而《每周評論》已於1918 年8月末被北洋政府查封停刊。1920 年8 月，陳獨秀又創辦了通俗周報《勞動界》，以通俗語言向工人宣傳馬克思主義。
在馬克思主義與中國工人運動日益結合的基礎上，建立中國共產黨的條件已經成熟。在共產國際代表馬林的支持下，1921 年7 月23 日，中國共產黨第一次全國代表大會於上海法租界望誌路106 號（現興業路26 號） 舉行。
與會代表共13 人，分別是上海小組李達、李漢俊，武漢小組董必武、陳潭秋，長沙小組毛澤東、何叔衡，濟南小組王盡美、鄧恩銘，北京小組張國燾、劉仁靜，廣州小組陳公博，旅日小組周佛海，以及陳獨秀委派的代表包惠僧。
為成立中國共產黨做出過卓越貢獻的“南陳北李”，因工作關係均未能到會。陳獨秀時任廣東教育委員會委員長一時不能脫身，李大釗則因為“正值北大學年終結期間，校務繁雜不能抽身前往”。而在代表們心目中，他們仍是黨的主要創始人和領袖。
大會共召開了七次會議，通過了《中國共產黨黨綱》、《關於當前實際工作的決議》，並選舉了黨的領導機構，陳獨秀被選為中央局書記。中國共產黨就此誕生。
陳獨秀當選中央局書記後，不宜繼續留在廣東政府任職，於9 月中旬返回上海，開始全力以赴主持中共中央的領導工作，沒想到卻與馬林產生分歧。
馬林認為，“第三國際是全世界共產主義運動的總部，各國共產黨都是第三國際的支部，中共的工作方針、計劃應在第三國際的統一領導之下進行”。
陳獨秀則認為，“中國共產黨尚在幼年時期，一切工作尚未開展，似無必要戴上第三國際的帽子，中國的革命有中國的國情”。加上馬林以共產國際代表的身份居高臨下，盛氣淩人，令陳獨秀心中十分不快。
尤其馬林在未經陳獨秀同意的情況下，私自派張太雷赴日本聯絡有關事宜，完全不把陳獨秀這個書記放在眼裏。當陳獨秀返滬後聽了張國燾等人對此事的匯報，氣得公開表示，絕不與馬林見麵，並打算向共產國際要求撤換馬林的職務。
然而，陳獨秀回滬不久，便引起了法租界巡捕房的注意。10 月4 日下午2 時左右，陳獨秀正在二樓休息，高君曼與來訪的楊明齋、包惠僧、柯慶施三人在一樓玩牌，突然有幾名“白相人”闖入住宅，嚷嚷著要買《新青年》。
高君曼見他們可能是要鬧事，好言勸說：“這裏不賣《新青年》，陳先生也不在家，你們還是去別處看看吧。”
來人竟繞過高君曼，三步並作兩步直奔牆角堆放《新青年》的地方，大聲說：“這不是有嗎，明明就在賣！”
陳獨秀被樓下聲音驚醒，仔細一聽不對勁，忙輕手輕腳下樓，打算從後門逃走。不料後門處早有人把守，陳獨秀被堵了回來。接著巡捕房的汽車開到門口，陳獨秀、高君曼和來訪的三名客人全部被送到法租界巡捕房。
陳獨秀被捕後，馬林積極營救，花重金請來當時上海灘赫赫有名的法國律師巴和為陳獨秀辯護。10 月26 日，公審公堂對陳獨秀一案作出判決：“搜獲書籍雖多，尚無激烈言論。惟查出《新青年》有違前次堂諭，判罰一百元了案”。
陳獨秀獲釋後，得知馬林設法營救，非常感動，不久主動拜訪馬林，表示擁護共產國際，馬林則表示在中國的一切工作由中央領導，兩人達成諒解，握手言和。但好景不長，1922 年4 月馬林從南方考察歸來，陳獨秀登門拜訪時，兩人就國共合作問題再生齟齬。當時馬林正在起草給共產國際執行局的報告，見到陳獨秀，馬林興致勃勃地說：“這次南方之行收獲甚大，關於中國運動及前景，在上海我聽到的都是消極的，在南方我卻看到卓有成效的工作。”
陳獨秀聽後不由得為之一怔，想起半年前馬林派包惠僧南下廣州接陳回滬前曾指出：陳獨秀作為中國共產黨的書記，不應在資產階級政府裏做官，國際上沒有這樣的先例。如今卻對這個資產階級政府大加讚賞，認為孫中山、陳炯明在南方所做的一切，正是中國革命所不可缺少的，中國共產黨誕生得太早了！
“在這種情況下，共產黨應盡快與國民黨合作。”馬林堅決地說。
“怎麽合作呢？”
陳獨秀不想再與馬林發生不快，盡可能表現得平靜。但馬林還是從陳獨秀的目光中，看到了抵觸情緒，於是用盡可能輕鬆的口氣說：“我建議，共產黨以加入國民黨的方式，與國民黨徹底合作。”
“加入？”陳獨秀原本性格狷急，這時候再也控製不住了，憤憤地說，“你不過是看了一個廣東省，而且是個表麵！國民黨內部四分五裂，勾心鬥角，聯合軍閥，勾結土匪，最善於投機取巧，爭權奪利。”
正因為陳獨秀對國民黨以及其前身革命黨人抱有成見，因而他早年拒絕參加同盟會，也沒有參加辛亥革命。馬林對陳獨秀激烈的反應大為震驚，認為陳獨秀對國民黨抱有成見，太過偏激。隨後就此問題征求上海、北京、廣州、武漢、長沙等地黨內人士的意見，對共產黨加入國民黨大都持反對意見。
7 月16 日，中共二大在上海英租界南成都路輔德裏625 號召開，陳獨秀、張國燾、蔡和森、李達、羅章龍、王盡美等12 人代表全國195 多位黨員參會。
此次會議李大釗仍未參會，北京小組代表為張國燾與高君宇。陳獨秀被推選為中共中央執行委員會委員長。大會明確提出反帝反封建的民主革命綱領，指明現階段革命鬥爭的任務和方向，同時通過同國民黨建立民主聯合戰線的決議案，至於以什麽形式與國民黨合作仍未作出決定。
此時馬林去莫斯科尋求共產國際支持未歸，陳獨秀由於在社會上影響愈來愈大，法租界當局對此愈發緊張。二大召開不久，8 月9 日上午，巡捕房多名巡捕再次闖入陳獨秀家中，將陳獨秀帶到盧家灣總巡捕房，並在陳宅搜出違禁書籍多種。
在這次營救陳獨秀的活動中，其好友胡適出力甚大。胡適於8 月16 日得到陳獨秀被捕的消息，立刻聯絡時任外交總長、哥倫比亞大學老校友顧維鈞，稱法國人近年做了很多傷害中國青年感情的事，他此次“並不是為獨秀一個人的事乞援”，“一來為言論自由計，二來為中法兩國國民間的感情計”，請顧維鈞與法國公使溝通營救陳獨秀。同時，還聯絡蔡元培到法使那裏疏通。在各方努力下，8月18 日陳獨秀以罰款400元為代價，得以出獄。
然而，作為中共中央最高領導人，陳獨秀每月隻能從黨組織領取很少的生活費，常常入不敷出，而此次出獄所花訴訟費等高達2000 元，卻是無論如何也籌不出的。
為此，陳獨秀的好友蔡元培、李大釗、胡適、張國燾、蔡和森、鄧中夏、劉仁靜、高尚德、李石曾、蔣夢麟、林素園、範鴻勃、黃日葵、繆伯英等人，於9 月24 日在《晨報》上聯名發表《為陳獨秀君募集訟費啟事》，緩解了陳獨秀經濟上的窘迫。
陳獨秀與胡適，一向私交甚好，但在學術觀點與政治主張上常常大相徑庭，多次在報刊展開大辯論。此時胡適正在倡導“聯省自治”、“好人政府”，陳獨秀雖對胡適相救非常感激，但一出獄便在報紙上與胡適展開了激烈論戰。