自此，陳明仁因蔣介石不能主持公道而隱懷異志。更讓蔣介石沒(méi)有想到的是，自己一手栽培的陳明仁，在1949年8月4日，竟然與程潛領(lǐng)銜通電起義了。
此時(shí)的陳明仁已就任國(guó)民黨軍華中“剿總”副司令兼第一兵團(tuán)司令官，率第二十九軍、第七十一軍駐扎在湖南長(zhǎng)沙。全國(guó)解放大勢(shì)所趨之時(shí)，陳明仁宣誓：“軍人以保國(guó)衛(wèi)民為天職，明仁忝膺省政，服務(wù)桑梓，既愛國(guó)，復(fù)愛鄉(xiāng)士。”
于是，陳明仁和程潛率國(guó)民黨所屬長(zhǎng)沙“綏靖”公署、第一兵團(tuán)部轄3個(gè)軍9個(gè)師和3個(gè)保安師等共12萬(wàn)余人起義(其中，有頑固軍官帶4萬(wàn)人起義后不久叛逃)。
程潛和陳明仁率部起義后，毛澤東致電程、陳兩將軍稱：“毅然脫離偽府，參加人民革命，義旗昭著，薄海歡迎。”1949年8月25日，毛澤東親自修改新華社時(shí)評(píng)《湖南起義的意義》，明確指出：“程潛、陳明仁兩將軍在湖南起義，嚴(yán)重地震撼了華南、東南、西南、西北的國(guó)民黨殘部，國(guó)民黨殘部唯一的光明前途，就是脫離蔣介石、李宗仁、白崇禧集團(tuán)，接受中國(guó)共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)。”
8月29日，人民解放軍湖南軍區(qū)成立，陳明仁任副司令員。司令員、政委分別由人民解放軍十二兵團(tuán)司令員蕭勁光、政委黃克誠(chéng)兼任。9月10日，陳明仁和程潛應(yīng)毛澤東電邀抵達(dá)北京，作為特別代表出席第一次全國(guó)政協(xié)會(huì)議。聶榮臻、羅瑞卿、張友漁等到車站迎接。毛澤東、周恩來(lái)、朱德多次接見并宴請(qǐng)陳明仁等人。9月19日，毛澤東邀請(qǐng)陳明仁和程潛等人游天壇。到了天壇祈年殿，毛澤東特地從人群中召喚陳明仁：“子良，來(lái)，來(lái)，我們兩個(gè)單獨(dú)照個(gè)相。”合影后，毛澤東問(wèn)陳明仁：“你準(zhǔn)備放大加洗多少?gòu)堈掌仲?zèng)朋友啊？”
陳明仁順口說(shuō)：“洗十打。”
毛澤東風(fēng)趣地說(shuō)：“少了嘛，洗五十打！這樣就沒(méi)有人說(shuō)你被共產(chǎn)黨軟禁了。”
幾天后，陳明仁被毛澤東邀請(qǐng)?jiān)诩依锍燥垥r(shí)，主動(dòng)提到四平之戰(zhàn)，表示內(nèi)疚。毛澤東笑了笑說(shuō)：“兩軍相戰(zhàn)，各為其主嘛！猶如劃船，都想劃贏呀！”
陳明仁表示堅(jiān)決接受中國(guó)共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)，向解放軍學(xué)習(xí)，服務(wù)人民，效力國(guó)家。
毛澤東征詢地問(wèn)：“你今后的打算是從政還是帶兵？”
陳明仁說(shuō)：“如果可能，我還是在軍事上為國(guó)家盡一些力。”
毛澤東鼓勵(lì)說(shuō)：“我看林彪打仗不如你。讓你擔(dān)任解放軍二十一兵團(tuán)司令員吧，有什么條件你盡管提出來(lái)。”
陳明仁以職業(yè)軍人的姿態(tài)答道：“報(bào)告主席，我現(xiàn)在真正服從了共產(chǎn)黨，無(wú)條件服從領(lǐng)導(dǎo)。”
毛澤東笑容滿面，說(shuō)：“啊呀，人家提出條件，我倒好辦，你這個(gè)沒(méi)有條件的，我倒不好辦了！這樣吧，從今以后，解放軍有飯吃，你也有飯吃，共產(chǎn)黨的軍隊(duì)有衣穿，你有衣穿，一視同仁。”
9月25日，陳明仁在政協(xié)全體會(huì)議上發(fā)言，坦誠(chéng)地回顧了自己的歷史。陳明仁說(shuō)：“我是一個(gè)軍人，我是黃埔第一期的一個(gè)學(xué)生，本來(lái)是以衛(wèi)國(guó)救民為天職的。20多年來(lái)，參加北伐，參加抗日，打了不少硬仗。不料，蔣介石在抗日勝利后撕毀政協(xié)決議，發(fā)動(dòng)內(nèi)戰(zhàn)，他欺騙我們，驅(qū)使我到東北與解放軍作戰(zhàn)，我仍舊也和勝利以前一樣，替他出過(guò)不少死力。但是，由于事實(shí)的教訓(xùn)，使我們開始漸漸發(fā)覺參加這種內(nèi)戰(zhàn)，徒然為蔣介石私人做工具，完全違反人民利益，心理上總是耿耿不安。嗣后和各方面接觸較多，了解進(jìn)步，對(duì)于這種內(nèi)戰(zhàn)，更屬越加由懷疑而厭惡，由厭惡而苦悶，最后終于覺悟過(guò)來(lái)。蔣介石在起義前幾天還派員送電報(bào)給我，要我‘大義滅親’。因?yàn)槌虧搶④娛俏疫M(jìn)黃埔以前的老校長(zhǎng)，意思是叫我殺害程將軍，并要我率部十萬(wàn)死守長(zhǎng)沙。我現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了蔣介石不僅是不革命，簡(jiǎn)直是反革命，簡(jiǎn)直是人民的公敵，我當(dāng)然要打倒他。他是我們的校長(zhǎng)，現(xiàn)在我便給他一個(gè)‘大義滅親’。當(dāng)時(shí)白崇禧也派專機(jī)送來(lái)一個(gè)命令，叫我派兵包圍程潛將軍所住的水陸洲，實(shí)行兵諫，必要時(shí)采取斷然處置。倒是白崇禧他本人如此反動(dòng)確是需要給他一番兵諫的，我的起義即為兵諫的有力表示。我多年在蔣政權(quán)之下，徘徊惶惑，到現(xiàn)在才大夢(mèng)初醒，才走向真正的革命方面來(lái)。在黑暗中掙扎過(guò)多少年的我，一旦獲得光明，可以大步邁進(jìn)，我的心情，是多么愉快，多么興奮。我愿意完全接受毛主席的理論與實(shí)踐統(tǒng)一的思想，虛心學(xué)習(xí)，努力實(shí)踐，改造我自己，改造我所統(tǒng)率的部隊(duì)，絕對(duì)以不怕死、不怕苦的精神來(lái)完成我們革命軍人的任務(wù)。”
1949年11月，根據(jù)毛澤東向林彪、華中局、湖南省委關(guān)于陳明仁部隊(duì)的整編問(wèn)題的指示和起義部隊(duì)的人數(shù)，陳明仁率領(lǐng)的國(guó)民黨起義部隊(duì)被改編為中國(guó)人民解放軍第二十一兵團(tuán)，轄第五十二、五十三軍。陳明仁任二十一兵團(tuán)司令員，唐天際任兵團(tuán)政委。
1949年12月2日，中國(guó)人民解放軍第二十一兵團(tuán)在駐地瀏陽(yáng)縣城舉行隆重的成立大會(huì)，兵團(tuán)司令員陳明仁身穿解放軍軍服，精神煥發(fā)地主持成立大會(huì)，并宣布中國(guó)人民革命軍事委員會(huì)的命令。
