1917年1月，北京大学校长蔡元培聘请陈独秀到北大担任文学科学长(文学院院长)，《新青年》杂志也随之移至北京出版，当时的北京大学即成为中国思想界最活跃的阵地。1919年陈独秀在北京大学发动了震惊中外的五四爱国主义运动，并亲自散发传单，被毛泽东誉为是五四运动的总司令。
1919年6月8日，陈独秀在《每周评论》第二十五号上发表了《研究室与监狱》一文，他说：“世界文明发源地有二：一是科学研究室，一是监狱。我们青年要立志出了研究室就入监狱，出了监狱就入研究室，这才是人生最高尚优美的生活。从这两处发生的文明，才是真文明，才是有生命有价值的文明。”
此语遂成名言。
此时的陈独秀其实处境十分危险，北大校长蔡元培已经于5月9日早晨秘密离开了北京，陈独秀在沪上的朋友也纷纷劝其南下以避锋芒。他却回答说：“我脑筋惨痛已极，极盼政府早日捉我下狱处死，不欲生存于此恶浊之社会也。”
6月9日，陈独秀起草《北京市民宣言》，“交由胡适，把它译成英文”。虽然身为北大文科学长，他还是亲自去中央公园(今中山公园)等地散发这个仅有一页纸的宣言。随后，陈独秀因散发《北京市民宣言》而被捕。
参与散发传单的胡适在《胡适口述自传》中回忆说：“陈氏是在发散他那自撰并出资自印的反政府传单之时被捕的。此事发生在北京城南一个叫做‘新世界’的娱乐场所。那时陈独秀、高一涵和我三位安徽同乡正在该处吃茶聊天。陈氏从他的衣袋中取出一些传单来向其他桌子上发散……我们三人原在一起吃茶，未几，一涵和我便先回来了。独秀一人留下，他仍在继续散发他的传单。不久警察便来了，把独秀拘捕起来送入警察总署的监牢。我直到夜半才有人打电话告知此事。独秀被捕之后，始终未经公开审讯，但是一关便关了八十三天。所幸他的一大群安徽同乡和老朋友们，终于把他于8月间保释出狱。”
不过，陈独秀不是只被关了83天，而是98天。98天的牢狱囚禁，使他第一次体验了“人生最高尚优美的生活”。
而正是这第一次被捕，使北洋政府成为众矢之的，陈独秀成为各阶层人士奔走营救的对象，自此更加声名鹊起。
这一年，陈独秀40岁。
李大钊作了三首《欢迎独秀出狱》，诗中写道“你今出狱了，我们很欢喜！……什么监狱什么死，都不能屈服了你。……你今出狱了，我们很欢喜！有许多的好青年，已经实行了你那句言语：‘出了研究室便入监狱，出了监狱便入研究室’。”
这是陈独秀第一次被捕入狱，经由北京各界人士奔走营救，同时北洋政府慑于社会舆论，陈独秀终于被释放。
在李大钊护送下，陈独秀由天津到达上海，并相约组建中国共产党，从此形成了“南陈北李”之说。1920年8月，中国第一个共产主义小组在上海宣告成立。
1921年7月23日，中共第一次代表大会在上海召开，陈独秀此时为广东省教育厅长，缺席大会被选为中共总书记。
毫无疑问，陈独秀是中国共产党的最主要的创始人。从1920年2月移居上海以后，陈独秀就开始了中国共产党的筹建工作。这年8月，他在上海成立共产党的第一个组织——上海“中国共产党”。从此之后，他通过写信联系、派人指导或具体组织等方式，推动各地共产党早期组织的建立。因此，他在上海成立的共产党组织，实际上起到了中国共产党发起组织的作用。由于居功甚伟，陈独秀虽然没有参加“一大”，仍然被选为中央局书记。毛泽东、董必武、蔡和森、周恩来、瞿秋白、吴玉章、李立三、李达、陈望道等在谈到自己参加共产党时，均称无不受到陈独秀的影响和教诲。1936年毛泽东在同斯诺谈到他到上海参加中共一大的经过时说：“在我一生中可能是关键性的这个时期，陈独秀表明自己信仰的那些话给我留下了深刻的印象。”
1921年11月，陈独秀由广州回到上海，开始担任中央的日常工作。陈长璞说，在爷爷签发的第一份通告上首次用陈独秀的英文缩写“T. S. chen”签名。
1922年7月16日，中共第二次代表大会在上海召开。陈独秀被选为中央执行委员会委员长。同年9月，中央的机关刊物《向导》创刊，陈独秀任主编。共产国际代表马林建议国共合作。之后，陈独秀同李大钊等人参加了国民党，即史称“第一次国共合作”。
1923年6月12日，中共第三次代表大会在广州举行。在会上正式承认了国共合作，毛泽东进入中央局。“三大”会议上，根据《中央委员会组织法》，陈独秀被再次选为中央执行委员会委员长，毛泽东为秘书。“三大”之后，在中央签发的许多文件上有委员长陈独秀和秘书毛泽东的签名。
1925年1月，中共第四次代表大会在上海举行。陈独秀被选为中央局总书记兼组织部主任。10月，陈独秀出席了在北京召开的中央委员会扩大会议。
1927年4月27日，中央第五次代表大会在武汉召开。陈独秀被选为党的总书记。在会上，陈独秀的长子陈延年、次子陈乔年同时被选为中央委员。陈延年同时被选为政治局候补委员。
1927年大革命失败后，陈延年、陈乔年相继被国民党杀害。陈延年和陈乔年于1922年6月至1923年先后赴法国勤工俭学和赴莫斯科东方大学学习。陈延年曾先后任中共广东区委组织部长、区委书记，中共江浙区委书记，江苏省委书记，1927年6月29日牺牲时，年仅29岁。陈乔年先后任中共北京地委组织部长、北方区委组织部长，中共湖北省委书记，中共中央组织部副部长，中共江苏省委组织部长等职。1928年1月19日牺牲时，年仅26岁。大半年时间内，陈独秀痛失两个爱子，身心受到巨大摧残。
陈独秀曾经对濮清泉(濮德治)说：第五次代表大会，自己成为众矢之的，大家骂我是“右倾”机会主义、投降主义，我投降了哪个？蒋介石把延年、乔年都杀了，我投降他吗？汪精卫高唱：“革命的到左边来，不革命的滚开去。”不仅我以为他是“左派”，连斯大林也认为他是“左派”。
1929年11月5日，陈独秀被开除党籍。在这期间，陈独秀逐渐接受了苏联托洛茨基的观点，对共产国际的独裁专制颇为不满，办刊物、写文章声明中国的问题应该由中国人自己研究解决。
