红三军团成立时，正是蒋冯阎中原大战激战正酣的时候。广西的桂张（发奎）联军击溃湘军何健，占领长沙，湘军主力被吸引到湘中、湘南地区。彭德怀看准了时机，为了扩大鄂东南苏区，开始发动攻势作战。
6月13日，首先攻占大冶，歼灭二十军郭汝栋部一个团。同一天趁势攻占黄石港，击溃二十军另一个团，缴枪300余枝。随后数日，消灭鄂东南六县（鄂城、蒲圻、咸宁、嘉鱼、通城、通山）地主武装，并准备攻打岳州。岳州有钱大钧两个大师（十二个团）约四万人，还有王东原旅直属队和一个团。以红军的力量只能智取，于是以一部进占金牛、鄂城，声张要打武昌。国民党军果然受骗，把钱大钧两个师，星夜轮运武汉。岳州空虚，只有王东原旅直属队和一个团了。至六月底，通山、通城、蒲圻、咸宁等县民团，基本被红军肃清，为攻取岳州扫清了障碍。
六月底到七月初，鄂南饥荒缺粮，红五军军部驻在通山县城，开了一次前委会议，讨论打岳州的行动问题。这时钱大钧部已调到武昌，大家同意进攻岳州。在占领了临湘、城陵矶后，于7月4日攻克岳州，消灭王东原一小部分，其直属队和团主力大部在外国兵舰掩护下，乘船逃往洞庭湖中一角之君山。在岳州缴获了钱大钧部的不少弹药、军用物资和许多粮食，其中缴获长短枪500余支、机枪18挺，最让人兴奋的是缴获七五野炮四门和山炮两门，红三军团开始有了炮兵。
占领岳州后，英、美、日军舰欺红军无重火力，十分猖狂，向城内打炮。红军刚刚有了炮却又不会放，气得咬牙切齿。不料总指挥彭德怀在湖南讲武堂学过炮科，打炮正是内行。他不顾左右的阻拦，冒着猛烈的炮火，直奔野炮，和一位朝鲜族干部武亭一起调正好炮位，当敌舰靠近，便连发数十炮，击中敌舰，迫使敌舰停止了炮轰。红军战士齐声欢呼，斗志大振，对总指挥倍加佩服。
红三军团占领岳州，截断了武（昌）长（沙）铁路，国民党钱大钧、罗霖等部急忙调兵反攻。五天后，红三军团开始撤离。由于缴获的野炮带不走，只好炸毁。山炮则运了两门到平江，一直抬到长征时，才忍痛丢到川贵边界的习水河里去了。
7月22日，红三军团从岳州返回平江，在天岳书院门前召开大会，纪念平江起义两周年，誓师攻打长沙。为此在平江成立湘鄂赣工农兵革命暴动委员会，动员平江、浏阳、修水、铜鼓等县的游击队、赤卫队参加作战。各县苏维埃政府亦组织农民群众参战，不过两三天，担架队、运输队、慰问队等从四乡纷纷开来。战士也憋足了劲，准备打大仗。
长沙守军获知红军在平江待机，急电何键回省坐镇。何键赶回长沙调遣人马，命十五师师长危宿钟为指挥，率两个旅分两路向平江进攻，先发制人。彭德怀将红军布置成袋形阵地，待敌人来钻。不想敌人进到晋坑一带，忽按兵不前。彭德怀改变战术，以红八军攻正面，红五军为左翼，沿着通往长沙的大路直逼晋坑。7月25日，红八军先头部队与敌打响后，主力迅速占领有利地形；红五军主力插入敌后，从左后包抄，切断其后路，将敌逼在一条狭窄地带内，两军合力从前后两面向敌发动猛烈攻击，歼敌一个整团，余部向金井奔窜。26日，红军经反复冲杀，突破敌防线，夺占了长沙门户金井。
红三军团攻占金井，何键惊慌失措，急调4个营，沿浏阳河构筑工事，分段固守阻止红军前进。又星夜从湘桂激战前线撤兵，驰援长沙。为稳住局面，何键出示布告曰：“市民住户不要惊慌，本人决与长沙共存亡。”
27日拂晓，红三军团从金井、春华山一带向长沙开进。红五军强渡槊梨河，在七里巷与刚刚从衡阳调回的刘建绪部展开激战。敌人正面火力很强，彭德怀命红八军一部跑步至杉木巷，从左后侧向敌包抄，掩护红五军正面冲锋。在两面夹击下，敌军守不住阵地，纷纷向长沙城内逃窜。红军紧迫不舍，经马王堆，小吴门、浏阳门，于当日晚9时攻占湖南省会长沙城。这次战役共俘国民党军4000余人，缴获长短枪3000余支，机枪28挺，迫击炮20余门，山炮2门，电台9部，以及大批弹药、物资。
这时，那个信誓旦旦，“决与长沙共存亡”的何键却只身潜渡到湘江西岸，逃了一命。40年后，彭德怀回忆此事，写道：“没有活捉这贼，此恨犹存。”
红三军团进入长沙，纪律严明，秋毫无犯。红军还注意到对外交人员、传教士、侨民的宣传工作，指派年轻的红八军代军长曾经在法国留过学的何长工在长沙圣经学校召集驻长沙各国领事、各主教开会，用法语宣布共产党和红军的政策：只要他们遵守法令，红军保护其生命财产。此举轰动中外，西班牙驻长沙领事馆报道：“红军根本不是无组织的散匪，而是有文化、有教养、有礼貌的正规军队。”
红军进城后，湘军残部在城内打枪、纵火、割电话线，进行破坏。彭德怀即从易家湾前线返回长沙，组织清查户口，处决了一批反革命分子，释放了被关押在狱中的数千名******和革命群众，没收了帝国主义和地主豪绅的财产。城内秩序趋于稳定，彭德怀说：“对反革命不镇压也是不行的。”
7月29日，红三军团前敌委员会颁发《告群众书》，阐明革命形势，提出革命主张和任务。红三军团政治部创办了《红军日报》，向长沙市民宣传党的方针政策，刊登《共产党十大政纲》、(土地政纲》、《告劳苦青年书》、《暂行劳动法》和国内外要闻等。
7月30日，湖南省苏维埃政府成立，推举李立三为主席(未到职)，由王一芬(即王首道)代理，彭德怀等13人为委员。苏维埃政府成立后，宣布了土地法、暂行劳动法和多项施政纲领，成立肃反总司令部，组织没收委员会，恢复和发展各行业工会等。同时扩大红军七八千人。
红三军团攻克长沙，震惊中外，国民党当局尤为慌乱。武汉行营主任何应钦一面调兵加强武汉守备，一面派军队增援何键。8月4日，在外国军舰炮火掩护下，国民党军10几个团渡过湘江，从南北两个方向夹攻长沙。激战一日，红三军团与敌众寡悬殊，又无后援，彭德怀遂决定撤离长沙。5日晚，红三军团各部和10万工农群众放弃长沙向浏阳方向撤去。
彭德怀率红五军一个师为后卫，控制浏阳门外高地，掩护部队撤退。6日，敌南北两路向浏阳门对进。此时，红三军团政治部和省苏维埃政府机关尚未撤出长沙城。在紧急情况下，彭德怀亲自指挥两个连阻击北进之敌，集中一个师的主力突击南进之敌，牢牢地控制着浏阳门外高地，掩护军团政治部和省苏维埃政府及进城的苏区群众撤向浏阳、平江。红三军团在撤离长沙的作战中又歼敌一个团，毙伤敌1000余人。红三军团由于及时撤出长沙，并无严重损失。
这次战役，红军在转战中趁敌兵力薄弱之机，挟连战连捷之威，以迅雷不及掩耳之势，一举攻占长沙，创造了红军史上以少胜多，以弱胜强的光辉战例，是第二次国内革命战争时期红军攻下省会的唯一战例。攻占长沙给湘省当局以沉重打击，何键从长沙狼狈逃走后，给谭延闿电说：“长沙被陷，本人暂退湘西待罪。”平日威风凛凛的洋大人则“避人舰内”，不敢露头。攻占长沙鼓舞了红军的士气，扩大了中国共产党的政治影响。******认为，第一次打长沙“效果也是可以认为是有益处，因为这对全国革命运动所产生的反响是非常大的”。
彭德怀对打长沙做了恰当的评价，他说：打长沙取得的“胜利在当时是很大的，否认这些胜利是不符合事实的”。“但这些胜利并不能掩盖立三路线的错误，也挽救不了立三路线的失败”。
红三军团从长沙撤出后，进至长寿街休整，并进行整编，纵队与支队分别改称师、团，当时全军团合计约17000人。序列如下：
红五军军长：邓萍政委：张纯清政治部主任：袁国平
第一师师长：李实行政委：吴溉之，侯中英
第一团团长：彭绍辉，王炳良政委：喻庚，李鸣铁
第二团团长：钟彪政委：温象符
第三团团长：周彩星政委：黄克诚
第三师师长：彭鳌政委：于定一，谢翰文
第七团团长：易振华，何复政委：谢翰文，陈保元
第八团团长：侯中英，刘校书政委：朱义逸，罗毅
第九团团长：何复，李寿轩
红八军军长何长工政治委员袁国平
第四师师长卢匿才政委石衡中
第六师师长郭炳生政委彭雪枫
红十六军（占领长沙后，由红五军第一纵队及湘鄂赣边独立师和各县赤卫队编成。）军长胡一鸣政委李楚平副军长孔荷宠参谋长余发明政治部主任吴天骥
第七师师长高咏生政委熊方柏
第九师师长李玉根政委邱训民