1917年1月，北京大學校長蔡元培聘請陳獨秀到北大擔任文學科學長(文學院院長)，《新青年》雜誌也隨之移至北京出版，當時的北京大學即成爲中國思想界最活躍的陣地。1919年陳獨秀在北京大學發動了震驚中外的五四愛國主義運動，並親自散發傳單，被毛澤東譽爲是五四運動的總司令。
1919年6月8日，陳獨秀在《每週評論》第二十五號上發表了《研究室與監獄》一文，他說：“世界文明發源地有二：一是科學研究室，一是監獄。我們青年要立志出了研究室就入監獄，出了監獄就入研究室，這纔是人生最高尚優美的生活。從這兩處發生的文明，纔是真文明，纔是有生命有價值的文明。”
此語遂成名言。
此時的陳獨秀其實處境十分危險，北大校長蔡元培已經於5月9日早晨祕密離開了北京，陳獨秀在滬上的朋友也紛紛勸其南下以避鋒芒。他卻回答說：“我腦筋慘痛已極，極盼政府早日捉我下獄處死，不欲生存於此惡濁之社會也。”
6月9日，陳獨秀起草《北京市民宣言》，“交由胡適，把它譯成英文”。雖然身爲北大文科學長，他還是親自去中央公園(今中山公園)等地散發這個僅有一頁紙的宣言。隨後，陳獨秀因散發《北京市民宣言》而被捕。
參與散發傳單的胡適在《胡適口述自傳》中回憶說：“陳氏是在發散他那自撰並出資自印的反政府傳單之時被捕的。此事發生在北京城南一個叫做‘新世界’的娛樂場所。那時陳獨秀、高一涵和我三位安徽同鄉正在該處吃茶聊天。陳氏從他的衣袋中取出一些傳單來向其他桌子上發散……我們三人原在一起吃茶，未幾，一涵和我便先回來了。獨秀一人留下，他仍在繼續散發他的傳單。不久警察便來了，把獨秀拘捕起來送入警察總署的監牢。我直到夜半纔有人打電話告知此事。獨秀被捕之後，始終未經公開審訊，但是一關便關了八十三天。所幸他的一大羣安徽同鄉和老朋友們，終於把他於8月間保釋出獄。”
不過，陳獨秀不是隻被關了83天，而是98天。98天的牢獄囚禁，使他第一次體驗了“人生最高尚優美的生活”。
而正是這第一次被捕，使北洋政府成爲衆矢之的，陳獨秀成爲各階層人士奔走營救的對象，自此更加聲名鵲起。
這一年，陳獨秀40歲。
李大釗作了三首《歡迎獨秀出獄》，詩中寫道“你今出獄了，我們很歡喜!……什麼監獄什麼死，都不能屈服了你。……你今出獄了，我們很歡喜!有許多的好青年，已經實行了你那句言語：‘出了研究室便入監獄，出了監獄便入研究室’。”
這是陳獨秀第一次被捕入獄，經由北京各界人士奔走營救，同時北洋政府懾於社會輿論，陳獨秀終於被釋放。
在李大釗護送下，陳獨秀由天津到達上海，並相約組建中國共產黨，從此形成了“南陳北李”之說。1920年8月，中國第一個共產主義小組在上海宣告成立。
1921年7月23日，中共第一次代表大會在上海召開，陳獨秀此時爲廣東省教育廳長，缺席大會被選爲中共總書記。
毫無疑問，陳獨秀是中國共產黨的最主要的創始人。從1920年2月移居上海以後，陳獨秀就開始了中國共產黨的籌建工作。這年8月，他在上海成立共產黨的第一個組織——上海“中國共產黨”。從此之後，他通過寫信聯繫、派人指導或具體組織等方式，推動各地共產黨早期組織的建立。因此，他在上海成立的共產黨組織，實際上起到了中國共產黨發起組織的作用。由於居功甚偉，陳獨秀雖然沒有參加“一大”，仍然被選爲中央局書記。毛澤東、董必武、蔡和森、周恩來、瞿秋白、吳玉章、李立三、李達、陳望道等在談到自己參加共產黨時，均稱無不受到陳獨秀的影響和教誨。1936年毛澤東在同斯諾談到他到上海蔘加中共一大的經過時說：“在我一生中可能是關鍵性的這個時期，陳獨秀表明自己信仰的那些話給我留下了深刻的印象。”
1921年11月，陳獨秀由廣州回到上海，開始擔任中央的日常工作。陳長璞說，在爺爺簽發的第一份通告上首次用陳獨秀的英文縮寫“T. S. chen”簽名。
1922年7月16日，中共第二次代表大會在上海召開。陳獨秀被選爲中央執行委員會委員長。同年9月，中央的機關刊物《嚮導》創刊，陳獨秀任主編。共產國際代表馬林建議國共合作。之後，陳獨秀同李大釗等人蔘加了國民黨，即史稱“第一次國共合作”。
1923年6月12日，中共第三次代表大會在廣州舉行。在會上正式承認了國共合作，毛澤東進入中央局。“三大”會議上，根據《中央委員會組織法》，陳獨秀被再次選爲中央執行委員會委員長，毛澤東爲祕書。“三大”之後，在中央簽發的許多文件上有委員長陳獨秀和祕書毛澤東的簽名。
1925年1月，中共第四次代表大會在上海舉行。陳獨秀被選爲中央局總書記兼組織部主任。10月，陳獨秀出席了在北京召開的中央委員會擴大會議。
1927年4月27日，中央第五次代表大會在武漢召開。陳獨秀被選爲黨的總書記。在會上，陳獨秀的長子陳延年、次子陳喬年同時被選爲中央委員。陳延年同時被選爲政治局候補委員。
1927年大革命失敗後，陳延年、陳喬年相繼被國民黨殺害。陳延年和陳喬年於1922年6月至1923年先後赴法國勤工儉學和赴莫斯科東方大學學習。陳延年曾先後任中共廣東區委組織部長、區委書記，中共江浙區委書記，江蘇省委書記，1927年6月29日犧牲時，年僅29歲。陳喬年先後任中共北京地委組織部長、北方區委組織部長，中共湖北省委書記，中共中央組織部副部長，中共江蘇省委組織部長等職。1928年1月19日犧牲時，年僅26歲。大半年時間內，陳獨秀痛失兩個愛子，身心受到巨大摧殘。
陳獨秀曾經對濮清泉(濮德治)說：第五次代表大會，自己成爲衆矢之的，大家罵我是“右傾”機會主義、投降主義，我投降了哪個?蔣介石把延年、喬年都殺了，我投降他嗎?汪精衛高唱：“革命的到左邊來，不革命的滾開去。”不僅我以爲他是“左派”，連斯大林也認爲他是“左派”。
1929年11月5日，陳獨秀被開除黨籍。在這期間，陳獨秀逐漸接受了蘇聯托洛茨基的觀點，對共產國際的獨裁專制頗爲不滿，辦刊物、寫文章聲明中國的問題應該由中國人自己研究解決。
