由周恩来、贺龙、叶挺、刘伯承等率领的第二十军和第十一军第二十四师，按预定计划，直下潮汕。起义部队于9月23日顺利进占潮州，24日晨，汕头也被光复。周恩来同前委大多数领导人一起，随军进入这个他离别了一年多的城市。潮汕一带多次经历过革命的洗礼，虽然几起几伏，这里的民众仍然对这支举红旗的队伍寄予希望。
起义军入城后，将总指挥部设在民权路中段的大埔会馆，楼顶上插上了一面红旗。随后，前委还任命李立三为汕头公安局局长；刘伯承为军政学校校长；彭湃为东江工农自卫军总指挥；周逸群为潮汕警备司令；郭沫若为政府海关交涉使和海关监督。起义军就想把汕头作为临时首都，准备夺取广州后再作为正式首都。
周恩来因1925年东征时在这里当过行政专员，熟悉当地情况，所以很快主管起当地的工作。为了在当地建立政权，自然要守城并控制周围地区，于是革命委员会决定了第二次分兵。
进入潮汕的部队总共只有8000人，经第二次分兵，力量更为分散。分兵后的部署是——周逸群率第二十军第三师约1000余人警卫潮、汕，师部和教导团驻潮州，部队在潮州西北侧高地构筑防御工事。
革命委员会及各军后勤机关驻汕头，城内只有第三师的第六团（因会昌一战损失太大，兵力仅相当一个营）警卫。
参谋团随叶挺的第二十四师、贺龙的第二十军向揭阳、丰顺前进，这一路是起义军主力，却也只有6000人。
9月26日至27日，第二十四师和第二十军的第一、第二师进占揭阳，此时才初步侦察到敌军主力正在附近的汤坑集结，其具体兵力数目还不大清楚。参谋团决定，先击破汤坑之敌，再与海陆丰的农军取得联系，使潮汕和整个东江地区成为根据地。待得到苏援装备和款项能大力扩军后，再西攻广州。
为了分化敌人，周恩来还派在黄埔军校和武昌中央军校任过政治教官的高语罕作为代表，从汕头化装赴香港，找张发奎谈判，约定互不侵犯。不过待高语罕赶到香港时起义军已兵败，事实上也无法再谈了。其实，这时的形势已十分险恶。自会昌战斗钱大钧、黄绍竑败溃之后，广东的粤、桂、蒋三派军阀经过近一个月的补充整顿，力量已大为增强。此时，正是桂系在全国最为得势之际，北方的白崇禧控制了江浙的大片地区，李宗仁指挥的西征又席卷两湖，黄绍竑也急于把势力伸进广东，因此把广西老巢的主力3个师都集中到粤东，务求击败共产党的军队以固自己的地位。这样，集中在广东的国民党正规军的兵力已有10个师六七万之众，其中有一半以上可调来对付起义军。起义军因信息不灵，对他们的情况并不很清楚，他们却能及时得到各地的报告，对起义军的动向基本掌握。不过广东当局此时对起义军的力量也估计过高，认为总兵力约有2万（这恰恰高估了一倍），加上会昌一战后心有余悸，所以在东江方向虽集结有重兵，尚不敢贸然进攻，一面监视起义军，一面以逸待劳，伺机反扑。
截至9月底，集中在东江前线的国民党军队共有6个师，总兵力有3万多人。
这样，国民党军不仅在总兵力上相当于起义军的3倍多，而且在每一个方向上都形成了兵力优势。在装备方面，双方主要使用步兵武器，在质的方面差距并不大，然而国民党军的步、机枪在数量上占优势，而且有充足的弹药补充。起义军经长途行军丢弃了大量弹药，加上会昌一战的消耗，此时深感子弹不足。从南昌出发时每人发了250发子弹，此时每枪一般只剩下30至40发子弹。在这种情况下，双方摆开“堂堂之阵”打硬仗，明显对起义军很不利。
9月26日傍晚，起义军第十一军第二十四师和第二十军第一师在叶、贺率领之下，会合了彭湃领导的农民自卫军，进入揭阳城。因敌王俊部已于上午向山湖退却，故起义军是兵不血刃而进驻揭阳城的。
27日凌晨，起义军开始向山湖、汤坑方向挺进。
9月28日，叶挺、贺龙率主力部队在离汤坑30里的白石、分水一带与敌正式遭遇。这里全是高低不平的山地，起义部队立即占领阵地，当晚两军有过接触以后，起义军获得小胜，并捉到少量俘虏，缴到一些枪械。
次日拂晓，战斗再次打响，战斗持续了两天两夜。这是南昌出发以来，起义部队经历的最为激烈的一次战斗，也是决定起义军最后成败的关键一仗。
在头一天的双方接触性的战斗中，起义军从捉到的俘虏口中，已经知道敌军的兵力有3个师之众，且都是满员的，武器弹药充足，与起义军这3个长途远征损失甚大的师相比，兵员足足多一倍半，火力更占绝对优势。指挥员们都知道这场仗不好打了，然而在两军对阵时，谁也不想撤退。那个时候，革命军队的指挥员想的都是进攻打垮敌人，认为退却是怯懦的表现，还没有以后那种“敌进我退”的灵活机动的战略战术。此时在前线负责指挥的叶挺，从保定军校毕业后到粤军服役及到苏联学习，还有北伐时所向披靡的战斗，都是打的正面猛攻的正规战，此刻他决定正面硬攻。这种勇敢精神是可嘉的，然而在当时的情况下却是不可能奏效的。
9月29日，起义军以少兵攻强敌，向驻守汤坑制高点上的陈济棠部发起了仰攻，展开了一场惨烈的战斗。第二十四师也是叶挺独立团的老底子，此时虽然只有2000多人，却仍然充当了进攻的主力。第二十军主要以火力支援，后来也以一部分兵力投入进攻。
向山头冲击的第二十四师官兵，当时仍然拿出了北伐武昌城下的传统作风，先高呼革命口号，然后向敌人冲去。这一气势开始震慑住了国民党广东军，尤其是薛岳的新编第二师又是刚刚成立的，经不住起义军冲击。9月29日下午，薛岳师的阵地被突破，全师官兵丢弃了前沿的山头阵地，狼狈向后溃逃，并在起义军火力尾随射击下遗尸累累。起义军发扬北伐时猛打猛攻的传统，跟踪追击，一直冲到分水坳附近。
陈济棠此时的指挥所设在距汤坑约六七公里的北路小高地上，清楚地看到薛岳部队抵挡不住而全师败退，于是急忙命令自己的第十一师的两个团赶到分水坳的高地上组织防御。起义军冲到陈济棠的第十一师阵地前，遇上了难啃的硬骨头。这支部队也是北伐时的第四军的一部分，训练较好，在广东军阀部队中战斗力是最强的，加上又居高临下，数量还占优势，自然就比较顽强。在分水坳的山头上，双方反复争夺，甚至把手榴弹投过去未爆炸，对方又拣起来扔回来。第二十四师有一个英雄营长廖快虎，指挥部队反复冲杀，手下的人打光了，他自己坐在山头上与敌人同归于尽。天近黑时，起义军死伤不少，敌军的第十一师也是伤亡惨重，又投入了一个补充团，仍然感到支持不住。此时，陈济棠下令让最后的预备队——广东军阀的另一支主力第十三师也投入战斗。发现敌人越打越多，起义军为取得胜利，只好采取夜袭。当时任二十军第二师党代表的陈恭，在战后不久的一份报告上对此次战斗这样写道：此时我军始知敌人之兵力之较多，而火器亦极精锐，不易击溃，遂决计举行夜袭，令二十四师之七十一、七十二两团兵卒，齐上刺刀，乘机企图冲入敌阵，一面用二十军一、二两师兵力在高山用极猛烈之火力为之掩护，突击部队以火焰为号，以图围缴敌械。不料冲去2小时，不特未见火焰，且我方冲去官兵纷纷逃回，问之，则谓敌军已有准备，当我军冲去时，彼甚为镇静，将我冲去之兵卒，围住缴械。以此不愿缴械之兵士，既冲锋进，复冲锋出，一往一返，损失非常巨大。此时，能集合两地前进之兵力，只有二师之第四团，为数已有限矣。战至此，总指挥见我方一则兵力损失过多，二则全军弹药将罄，已无法再与支持，于是下令撤退。待退却令下，各师查点人数，已减损一半。遂由第一师掩护，全部向揭阳退却。
在激战之中，也出现了个别叛徒。刚刚由第七十团团长提升为第二十四师副师长的区震，在战斗中就反戈投降了敌军。这个家伙后来在国民党军中受到赏识，官运比较亨通，解放战争初期就担任过兵团司令。当时部队内共产党的组织不太健全，缺乏监督机制，一些人的叛逃自然难以控制。
在这场激战中，大多数人的表现还是英勇的。夜袭未能奏效，激战至9月30日天明，因部队在两天中伤亡2000余人，其中第二十四师伤亡过半，弹药也消耗大部，实在无力再攻，只好撤了下来。
此时在第二十四师教导大队的李逸民后来回忆说，他所在单位战前有100多人，天亮后撤了下来只剩40多人。这时老伙夫来送饭，见只有这点人，以为还有很多人在前线没有回来。同志们告诉他说“其他同志都已牺牲”，老伙夫当场就哭了起来。
叶挺这时也在教导大队吃饭，听到哭声就说：“哭什么，打仗总会有牺牲的。我们的队伍还要扩大，你说不定哪一天还会当连长呢！”
叶挺、贺龙整顿了一下队伍，于30日上午向揭阳后撤。对面的敌人陈济棠此时不明起义军虚实，也不敢追击，还把部队撤到分水坳后面，构筑工事，足足等了一天，害怕再遭进攻。据后来得到的消息，汤坑一仗国民党军伤亡在3000人以上，新编第二师还有部分人逃散，损失比起义军大得多。陈济棠当天曾一再懊悔说，昨天不该把第十三师投入战斗，现在一点预备队也没有了，要是再打半天就不能支持了。
从表面上看，汤坑一仗是双方打成对峙，最后都撤出了战斗。起义军以6000人攻敌1.5万人，火力更远不如敌，开始还击溃了薛岳师，最后又使陈济棠师受重创，国民党军的损失远大于自己，这表现出革命军队在精神上压倒敌人。可是从全局来看，这是一个败仗，因为它使起义军无法达成击溃敌军并联系海陆丰的目的，主力还受到最严重的损失而无法恢复，整个局势也马上急转直下。
部队从汤坑后撤是迫不得已，没有得到参谋团的命令，退到哪里事先也没有想过，因此撤退组织得很乱，官兵情绪也大受影响。第十一军仅有这个第二十四师和第二十军，又是分路走，一时失去统一指挥。
贺龙把自己的第二十军交给第一师师长贺锦斋带领，自己先赶回汕头去找指挥机关汇报。叶挺考虑到潮州是总后方，部队的补给辎重都在城内，就率队向揭阳撤，在那里休整了一下就往潮州城走。10月1日，部队走到距潮州城不远处，突然遇到一些零零散散的起义军官兵迎面跑来，其中有一个是留在潮州的贺龙的副官。他急急忙忙地说：“潮州昨天就丢了，汕头也不能保。听说革命委员会已经向海陆丰方向撤了！”
这真是晴天霹雳！叶挺马上和党代表聂荣臻研究怎么办。两人拿着地图研究了一番，叶挺说：向海陆丰去不是办法，二十师伤亡太大，二十五师又被隔在三河坝失去联系。我们向海陆丰，越走离二十五师越远，这样不行。应该向福建去，那里敌人薄弱，只有张贞的一个师，没有多少战斗力，我们又可以带上二十五师，带上他们一块走。接着，叶挺又讲起他当初跟着孙中山的时候，在福建搞过一段，那里的情况比较熟。聂荣臻开始也赞成叶挺的话，说“是个好主意”。可是他从自己是党代表的身份着想，感到还是要首先得到党的指示，于是他表示：这样不行，我们没有得到命令，这样一走，不就成了各走各的，单独行动了吗？没有命令擅自行动可不行啊！我们还是找到前委再说吧。以周恩来为首的前委此时在哪儿呢？叶挺、聂荣臻也不清楚，估计大概正从汕头向海陆丰撤退，于是他们决定部队掉过头向西走，沿路去寻找。此时，第二十四师、第二十军伤亡减员也很大，此时也掉头向西，也向海陆丰方向转进。
