1923年，中共三大在广州召开，两人都是代表，又见了面。在三大上，对国共合作的具体组织形式，发生了争论。张国焘认为，工人阶级只能在自己政党的旗帜下进行革命，不同意全体共产党员特别是产业工人加入国民党，否则会取消共产党的独立性，也不同意在劳动群众中发展国民党组织。张国焘的观点成为会议争论的焦点，多数人不同意他的观点。毛泽东在发言中根据湖南工人运动的经验，说明搞联合阵线的必要性，认为大批工农加入国民党，正可以改造它的阶级成分，和资产阶级建立联合阵线，共同完成民族民主革命的任务。经过讨论，会议通过了党内合作的主张，决定全体共产党员以个人名义加入国民党，但仍保持共产党组织的独立性。
会上，毛泽东被选为中央局成员。陈独秀为中央执行委员会委员长，毛泽东为中央局秘书。毛泽东第一次进入中共领导核心，刚好30岁。而张国焘则落选了。毛泽东协助陈独秀处理中央的日常工作。
