自此，陈明仁因蒋介石不能主持公道而隐怀异志。更让蒋介石没有想到的是，自己一手栽培的陈明仁，在1949年8月4日，竟然与程潜领衔通电起义了。
此时的陈明仁已就任国民党军华中"剿总"副司令兼第一兵团司令官，率第二十九军、第七十一军驻扎在湖南长沙。全国解放大势所趋之时，陈明仁宣誓："军人以保国卫民为天职，明仁忝膺省政，服务桑梓，既爱国，复爱乡士。"
于是，陈明仁和程潜率国民党所属长沙"绥靖"公署、第一兵团部辖3个军9个师和3个保安师等共12万余人起义(其中，有顽固军官带4万人起义后不久叛逃)。
程潜和陈明仁率部起义后，毛泽东致电程、陈两将军称："毅然脱离伪府，参加人民革命，义旗昭著，薄海欢迎。"1949年8月25日，毛泽东亲自修改新华社时评《湖南起义的意义》，明确指出："程潜、陈明仁两将军在湖南起义，严重地震撼了华南、东南、西南、西北的国民党残部，国民党残部唯一的光明前途，就是脱离蒋介石、李宗仁、白崇禧集团，接受中国共产党的领导。"
8月29日，人民解放军湖南军区成立，陈明仁任副司令员。司令员、政委分别由人民解放军十二兵团司令员萧劲光、政委黄克诚兼任。9月10日，陈明仁和程潜应毛泽东电邀抵达北京，作为特别代表出席第一次全国政协会议。聂荣臻、罗瑞卿、张友渔等到车站迎接。毛泽东、周恩来、朱德多次接见并宴请陈明仁等人。9月19日，毛泽东邀请陈明仁和程潜等人游天坛。到了天坛祈年殿，毛泽东特地从人群中召唤陈明仁："子良，来，来，我们两个单独照个相。"合影后，毛泽东问陈明仁："你准备放大加洗多少张照片分赠朋友啊？"
陈明仁顺口说："洗十打。"
毛泽东风趣地说："少了嘛，洗五十打！这样就没有人说你被共产党软禁了。"
几天后，陈明仁被毛泽东邀请在家里吃饭时，主动提到四平之战，表示内疚。毛泽东笑了笑说："两军相战，各为其主嘛！犹如划船，都想划赢呀！"
陈明仁表示坚决接受中国共产党领导，向解放军学习，服务人民，效力国家。
毛泽东征询地问："你今后的打算是从政还是带兵？"
陈明仁说："如果可能，我还是在军事上为国家尽一些力。"
毛泽东鼓励说："我看林彪打仗不如你。让你担任解放军二十一兵团司令员吧，有什么条件你尽管提出来。"
陈明仁以职业军人的姿态答道："报告主席，我现在真正服从了共产党，无条件服从领导。"
毛泽东笑容满面，说："啊呀，人家提出条件，我倒好办，你这个没有条件的，我倒不好办了！这样吧，从今以后，解放军有饭吃，你也有饭吃，共产党的军队有衣穿，你有衣穿，一视同仁。"
