为了加紧研究马克思主义，1920年12月，周恩来由上海抵达法国巴黎，参加勤工俭学。他来到巴黎，立即吸引了那些先期到达法国的中国青年，因为大家已经知道他是一位颇有名气的青年领袖。旅欧期间，他边学习边做工，同时考察那里的工人生活。除了大学的正规课程外，他每周参加讨论会，研究共产主义教科书，分析中国的革命斗争。
1921年7月，中国共产党在上海诞生。这个消息过了很久才传到巴黎。然而，有意思的是，思想相同的人，彼此相隔万里，竟会几乎同时考虑采取相同的行动。同年3月，周恩来和在欧洲的其他中国马克思主义者成立了共产主义小组。它和其他国内外的共产主义小组一样都在积极活动，目的都是为着建立一个统一的共产党组织。周恩来是中共的创始人之一。
1923年初开始，周恩来受中共中央的委托，积极从事国共合作。他因协助国民党特派员王京岐筹建国民党旅欧支部成绩斐然，而被孙中山委任为国民党巴黎分部筹备员；1924年初，他又建立了国民党巴黎通讯处。他的卓越才能引起了孙中山和廖仲恺的瞩目。不久，廖仲恺与中共有关部门协商后，请周恩来的旅欧老朋友张申府写信并汇款到巴黎，特邀周恩来回国参加国共合办的黄埔军校的工作。
秋天，周恩来从法国返回广州。就任中共广东区委委员长。孙中山十分器重他，亲自委任他为黄埔军校政治总教官。11月初，为挽救黄埔军校的政治危机，经与中共中央和苏联顾问商定，孙中山又任命他为军校政治部主任。
廖仲恺亲自把周恩来接到黄埔。码头上，38岁的蒋介石和26岁的周恩来握手，好像彼此要从对方的手中汲取力量，去迎接未来的战斗。
周恩来上任后的首次露面，是在军校大花厅发表演讲。那天，学生们为目睹新主任的风采，把会场挤得水泄不通。周恩来英俊的相貌和优雅的姿态，使学生们如痴如狂。而抑扬顿挫的音调和引人入胜的内容更不时被掌声所打断。黄埔一期学生、中共党员陈赓看到靠在自己身边的小同乡宋希濂正在聚精会神听周恩来演讲，不禁想起一件事：几天前，他俩漫步江边，畅谈军校的战斗生活。陈赓伏在初出茅庐的宋希濂的耳边，小声问道：“怎么样？周主任也是栋梁之才吧！”宋希濂连头都没有转过就脱口而出：“当然，周主任是栋梁之才，而且是年轻的栋梁之才，英俊的后起之秀！”
不久，周恩来就雷厉风行地对军校政治工作进行革故鼎新，使几乎瘫痪的军校政治部有如前进的车轮一样转动起来。
在政治部工作会议上，他毫不客气地指出：“过去的黄埔军校政治部是个空架子，军校也没有多少政治工作可言。蒋校长门前挂的是‘登高望海远，立马定中原’的对联，学生手中流传的是蒋校长编写的《曾、左治军语录》。这样怎么能训练出真正的革命干部呢？今后我们必须努力改变这种状况，真正在军校推行列宁创造红军的经验。”他接着分析孙中山从事军事运动失败的教训和苏联红军的经验，然后说明政治工作在军队建设中所具有的特殊重要性：“要使军队成为被压迫阶级可以用来打倒帝国主义、打倒军阀的工具，就必须在进行军事教育的同时，实施政治教育，讲清中国如何受到列强压迫、军阀压迫，以及解除压迫与痛苦的途径。使每个军官士兵均能了解此理，明白士兵之打仗是为人民而打的。这样，才能使军队成为人民的武装。”根据这种指导思想，政治部制定了全新的《军校政治教育大纲草案》。
周恩来作风朴实，认真负责，密切联系群众，亲自主讲一些重要课程。他在《军队中的政治工作》中向师生们灌输了一种崭新的观点：
“军队是一种工具——武器，谁都可以利用，资本家拿起这个军队去压迫工农，帝国主义者拿起军队去镇压殖民地的革命运动，逞他的声威，或压迫本国的革命运动。同样，中国被压迫的民族及其他被压迫的弱小民族，觉悟到帝国主义者和军阀的压迫的时候，也会从他的本身造出的武力用来打倒帝国主义，打倒军阀。”
“周主任的讲课最能感动人。”这是师生们的一致评价。《国内外斗争形势的分析》就是一门百听不厌的大课，因为他对国内外形势了如指掌，每次讲演都有新意。而且，他的讲演博而能约，条理清楚，易于记录和背诵。学生固然喜欢听，带队的长官也经常肃立一旁、静听到底。有人还写了一首《清平乐》来形容他讲课的情景：
风儿止步，雀儿悄悄顾。
屏听堂上细谈吐，拨尽心头迷雾。
一副和蔼笑容，亲如浩荡春风。
红棉摄其笑靥，衬得花儿彤红。
有一天，曹渊、许继慎、金佛庄等学生去见周恩来。周恩来了解到曹渊入学前，曾在家乡参加反袁斗争，在芜湖参加学生运动，又曾在上海刻苦读书的情况。他对曹渊说：“一个人，对世界万事万物，对于人生各种问题，要想看得透，就要志于学、勤于问、敢于闯。人们在自己的经历中，在顺境和逆境的比较中体验出来的东西，往往是很宝贵的。你从淮上来，已走过许多坎坷的路，学到许多东西；以后带兵打仗，转战千里，还会学到更多的东西。走到哪里学到那里，不是很好吗？那些悲守穷庐的人，哪里有你们这样的胸襟，哪里懂得什么奋斗的情趣？”一番勉励的话，说得曹渊心里暖融融的，也把在座的几位，逗得开怀大笑。大家都感到周恩来可敬可亲，平易近人。
仅仅几个月，军校的面貌就焕然一新。随着政治觉悟的提高，学生们迫切要求早日学到杀敌本领，冲向反帝反封建的战场，军训再苦，任务再重，也都情绪高涨，精神饱满。他们白天参加紧张的训练，晚上参加政治部组织的丰富多彩的活动，例如参加血花剧社、编辑报刊、到球场去打球、结伴散步畅谈理想、登高望远憧憬美好未来。学生唐克的家人对他学习军事表示不理解，他就在寄给家里的照片背面写下一段话：“亲爱的工农啊！你们光眼看到自己的地位是如何的痛苦，中国的军阀是如何的猖狂。我们再不武装起来，杀这少数的军阀而救国内多数的人民，中国就要亡国了。”
热烈的青春奏鸣曲，从黄埔校园飞出。美丽的黄埔岛，充满了春天的生机，黄埔健儿在茁壮成长。周恩来如雄龙昂首，头角峥嵘，深受师生敬仰。廖仲恺对他推崇备至，蒋介石也不禁赞叹道：“周主任年轻有为，实在是不可多得的将帅之才啊！”
国内外反动派却对黄埔军校不屑一顾。被孙中山斥责为“戴着我的帽子，蹂躏我的家乡”的驻穗滇桂军嘲笑说：“几个小孩子，几根破枪怎么能打仗？这不过是孙大炮晚年所谓国共合作的消遣而已。”盘踞东江时刻不忘进攻广州的陈炯明叛军则蔑视地说：“黄埔新编一、二团成不了大气候。”
1925年1月7日，陈炯明趁孙中山北上之机，自称“救粤军总司令”，倾巢出动，向广州进攻。战火越烧越近，形势愈来愈紧。
大元帅府广州留守处，在中共的推动下，决定组成东征联军，出师讨伐陈炯明。2月初，东征开始，由于滇桂军决意坐山观虎斗，逡巡不前，粤军许崇智部下黄埔学生军两个教导团成了东征主力。
学生军教导团在蒋介石和周恩来的率领下从黄埔出发。途中，黄埔健儿高唱着“同志们前进！杀！杀！杀陈炯明，不杀不甘心”的《杀贼歌》和“扎营不要懒，莫去人家取门板，莫拆民房搬砖石，莫踏禾苗坏田产，莫打民间鸭和鸡”的《爱民歌》，蒋介石乘坐轿子，团长何应钦、王柏龄骑着战马，周恩来和苏联顾问则和普通士兵一样徒步行军。
2月4日，东征军攻下东莞县城，蒋介石、周恩来进驻东莞县署。第3天，两人应邀出席东莞商会欢迎东征军大会。蒋介石在会上强调指出；“我军是真正革命军，以革害国害民贼之命为目的。我军为救国救民而来。人民有痛苦，我军必使之无痛苦，这与其他军队给人民带来痛苦是截然不同的。现在广东军队，多如牛毛且腐败得不成样子，都是因为他们不是真正革命军。真正的革命军为保护人民而战，纵无衣食，亦不变志。”他还热情地把周恩来向大家介绍，并说明革命军特设党代表和政治部主任，专门负责与人民有关系的事情。
周恩来接着演讲，略谓：“革命数十年尚未成功的一个重要原因就是因为没有一支真正的革命军队。各地军队均系前清遗留下来的，即使有新招之兵，也仿照前清编制。这种军队不顾人民痛苦，不懂政治意义。我党总理孙中山先生认为。要实现中国和平，必须有真正为人民所用之军队。因此，总理特设军事政治并重的军官学校，使军官和士兵懂得，中国如何受到列强和军阀的压迫，懂得如何解除农工商各界之痛苦。现在人民非常痛苦，不是受到土匪侵害，就是遭受反革命军队的骚扰。此次我军出发，是为解除人民痛苦而来，但全靠本校军队则力量太少，如果没有人民援助，仍然不足负此重任。因此，极其盼望东莞人民，通力合作，以促成革命成功。”
广大群众分清了东征军和土匪、军阀的区别，满腹疑虑，终于冰释。一时间，城内外到处洋溢着军民同乐的气氛。东莞本是出产爆竹的地方，那一串串又响又脆的喜庆之声响彻云霄，比过年还显得热闹。这种气氛，使蒋介石深受感染。
东征军直趋淡水城下，淡水距惠州70里，陈炯明企图利用其城墙高厚坚固、城壕既深且宽的易守难攻地势，据城而守，并迅速从惠州发兵援助、消灭东征军。当晚，东征军组织了攻城奋勇队。周恩来布置各级党代表和共产党员、青年团员，踊跃报名参加，勉以他们不畏艰险，不怕牺牲，以满腔热血去浇灌主义之花。蒋介石以奖赏每个队员30元或大元帅金牌胸章1枚承诺。
15日拂晓，教导团炮兵轰击敌军工事，随后，由8名共产党员和2名国民党员的营连党代表以及100名士兵所组成的奋勇队向城墙冲锋。由于云梯未及时运到，无法登城，城下的奋勇队员遭到重大牺牲。蒋介石、何应钦面面相觑，不知所措。在这危急的关头，当过消防队员的苏联顾问切列潘诺夫献计“人梯法”。奋勇队员迅速搭起人梯向墙头攀登。
两个小时后，陈军副总指挥洪兆麟率援兵到来时，城头已换上东征军大旗。他指天发誓：“不夺回此城，死不瞑目”。
东征军进城后，王柏龄团以为城池既破，万事大吉，而疏于防守。等到洪兆麟反扑过来时，何应钦团能适时投入战斗，而王柏龄东一个、西一个地拉了半天，勉强凑够1连人。蒋介石不能容忍这种漫不经心，潦草塞责的行为，当即撤了王柏龄的团长职务，并斥责说：“我是叫你当团长，不是叫你当连长。你怎么只带一连人来见我？你给我滚开！”还有王手下的一个连长，他自恃是蒋介石的亲戚，而擅自从火线率队逃窜到数十里外的龙冈。周恩来闻讯后立即面报蒋介石，要他大义灭亲，以张军纪。开始蒋介石犹豫不决，可是根据《革命军加坐法》的规定：“一连同退，只杀连长”，不好徇私舞弊，只得硬着头皮，下令枪决。
军纪严明，军心大振。东征军击退反扑的洪军。2月16日，蒋介石致电北京，向重病卧床的孙中山告捷。陈炯明惊闻洪兆麟败绩、东征军进逼他的老家海丰，立即从汕头乘船，仓皇出逃香港。
海丰是广东农民运动的策源地。2月27日，教导团进入海丰县境，人民群众“一路箪食壶浆，欢迎校军。男女老幼，簇拥观光，彩幡鞭爆，樵歌牧唱，助我捷音”。3月1日，海丰各界1千多人，在林氏祖祠召开欢迎革命军大会，周恩来、彭湃分别发表演说。当地群众表演了欢迎东征军的文艺节目，“农协”在城里设立办事处，送来生猪、蔬菜等慰劳品。亲眼看过这种情景的蒋介石还颇发了一番感叹。
东征军占领海丰后，兵分3路进攻潮汕。3月7日，攻占了粤东重镇汕头市。这时，原驻扎兴梅和粤赣边的陈炯明“救粤军”第1军军长林虎部，乘东征军刚踏入潮汕，脚跟未稳之机，从背后包抄过来，企图与洪兆麟、叶举残部前后夹击东征军。东征军从揭阳、普宁回师，迎击林虎。3月13日清晨，何应钦团首先在棉湖与林虎部接火，因右翼粤军许济部和左翼校军第2团没有如期投入战斗，而使何应钦团1千多人迎战林虎部9千人，力量相差悬殊，战况极其不利。蒋介石心想，此仗万一打败，校军将元气丧尽，遗祸不堪设想。因此，他严令何应钦“坚决抵抗，不准后退”。周恩来和加伦顾问也在战场上鼓舞士气，指挥战斗。
敌人凭借其优势兵力，紧紧咬住何应钦团指挥所，猛攻猛打。何应钦大惊失色，炮兵连撤退到团部后也连发哑炮。蒋介石急得来回走动，周恩来沉着地带领炮兵连官兵校对炮位，连长陈诚见状鼓起勇气瞄准发炮。“哑炮”停息了一段时间，撞针已冷却，大炮被陈诚打响了，恰好又打中了密集的敌阵。蒋介石高兴得合不拢嘴，马上把陈诚升为营长。下午2时，校军第2团在代理团长钱大钧率领下从左翼开到，投入战斗。猝然之间，枪炮声大作，嘶杀声连绵不断。那打了一整天恶仗，又累又饿的何应钦团，闻援军已到，顿添勇气和斗志，纷纷跃出阵地扑向敌群。林虎部不能持久，山崩河决似地向五华、兴宁方向溃逃。
3月30日，当东征军肃清潮汕全境，首次东征获得胜利的时刻，军校教导团在兴军召开追悼孙中山及东征阵亡战士大会。周恩来宣读祭文，蒋介石宣读誓词。随后，蒋介石和周恩来分别就任潮汕善后督办和东江各地党务主任，处理东江地区的党政大事，进一步拓展革命新局面。
5月下旬开始，蒋介石和周恩来率领教导团班师回穗，平定滇桂军阀杨希闵、刘震寰妄图夺取广东革命政权的武装叛乱，消灭了这些祸粤经年、拥兵数万的叛军，巩固了大革命的策源地。7月，在中共的倡导下，国民党改组了大元帅制的军政府，成立了委员制的国民政府。不久国民政府军事委员会下令整编国民革命军。黄埔军校学生军改编为国民革命军第1军，蒋介石任军长，汪精卫任党代表，周恩来任副党代表兼政治部主任。
1925年秋天，陈炯明得到帝国主义和国内反动势力的大力支持，乘东征军回师广州之机，死灰复燃，卷土重来，再度占据了整个东江地区。他还约同南路的军阀邓本殷一致行动，夹击广州，阴谋颠覆国民政府。
国民政府为打倒军阀、统一广东，作出了出兵东江和南路的决策。9月底，以蒋介石为总指挥、周恩来为总政治部主任的东征军3个纵队4万人，开始了二次东征。
经过二十多天的激战11月4日，周恩来率领东征军总政治部进驻汕头市；6日，蒋介石率领总指挥部也抵达汕头市。汕头数万市民，迎接东征军登岸。7日，全市性的“欢迎东征军大会”召开，蒋介石和周恩来分别发表演说。会后，庆祝二次东征胜利的鞭炮声响彻云霄。
两次并肩东征是大革命时期周恩来与蒋介石团结战斗的一曲凯歌。随着东征以及南征的胜利，把帝国主义的走狗、盘踞广东三分之二地盘的陈炯明、邓本殷等军阀势力，逐出历史舞台，使新生的国民政府改变了过去那种四面掣肘、内外交困的局面，为稍后进行的北伐战争把革命从广东推向全国奠定了基础。
