在此基础上，1923年6月，中国共产党在广州召开第三次全国代表大会，重点讨论国共两党合作问题。大会依据对国民党的分析和判断，形成了基本共识，认为国民党虽然有缺点和错误，但终究是中国唯一的革命民主派，理所当然是民主联合战线的重要分子。因此，作为共产国际的一个支部，中国共产党接受共产国际建议，通过了《关于国民运动及国民党问题的议决案》，动员共产党员以个人身份加入国民党，依托国民党通过“党内合作”方式开展革命，努力扩大国民党的组织于全国，使全中国革命分子集中于国民党，以适应“重建国家”的需要。
同时强调，共产党在这一过程中必须保持独立性，努力从各工人团体中，从国民党左派中，吸收真有阶级觉悟的革命分子，扩大组织，谨严纪律，巩固共产党的阶级基础和群众基础。
在国共合作的过程中，孙中山的思想转变具有重要意义。辛亥革命失败后，孙中山继续坚持民主共和立场，重新集结力量，进行二次革命，发动武装讨伐袁世凯，护卫《中华民国临时约法》。但是，这些斗争均告失败，孙中山陷入了极度苦闷之中。这时，共产国际、苏联政府和中国共产党向他伸出了援助之手。李大钊、陈独秀曾先后会见孙中山，与他讨论如何改进和加强国民党的建设问题。孙中山把中国共产党视为亲密朋友，决定改组国民党，并邀请李大钊等参与工作。
共产国际代表马林也会见孙中山，同他讨论建设革命党和革命武装等问题。1923年1月，孙中山与苏联特使越飞发表《孙文越飞宣言》，声明中国在争取独立和统一的斗争中，将得到苏联的真诚援助。孙中山还从蓬勃的工农运动中感受到人民群众的巨大力量，认识到“革命行动欠缺人民心力，无异无源之水，无根之木”，决心采取扶助农工的切实步骤，“适乎世界之潮流，合乎人群之需要”，把旧三民主义发展成联俄、联共和扶助农工的新三民主义，坚定并加快了改组国民党、同共产党合作的步伐。
1924年1月，中国国民党在广州召开第一次全国代表大会。孙中山主持大会，并指定共产党员李大钊等五人为主席团成员。孙中山在开幕词中提出：大会的根本任务是“把国民党再来组织成一个有力量有具体的政党”，然后用“政党力量去改造国家”。大会通过宣言对三民主义作了新的解释：在民族主义中强调，对外反对帝国主义，倡导“中华民族自求解放”；对内反对民族压迫，力求“中国境内各民族一律平等”。
民权主义则主张民主权利“为一般平民所共有，非少数人所得而私”。
民生主义突出“平均地权”和“节制资本”两大重要原则。这些主张，实际上是接受了共产党提出的反帝反封建的民主革命纲领，为改组国民党、实行国共合作、开展国民革命奠定了政治基础。大会通过《中国国民党章程》，同意共产党员和社会主义青年团员以个人身份加入国民党，李大钊、谭平山、于树德、林伯渠、毛泽东、瞿秋白、张国焘等10人被选入国民党中央执行委员会，参加领导工作，约占其成员总数的1/4。
国民党一大的召开，标志着国民党改组工作的基本完成和第一次国共合作的实现，预示着国民党由资产阶级政党变为工人、农民、小资产阶级和民族资产阶级的革命联盟，共产党通过这个联盟合法领导国民革命，“重建国家”。
国民党一大之后，中共相当多的党员和社会主义青年团团员加入了国民党。经过他们和国民党进步人士的共同努力，开创了以广州为中心、汇集四面八方革命力量，共同反对帝国主义和封建军阀的新局面。
周恩来回顾这一历史过程时说：当时，国民党不但思想上依靠我们，复活和发展他的三民主义，而且组织上也依靠我们，在各省普遍建立党部，发展组织。国民党和他的三民主义，靠着我们才得以把影响扩大到广大的工人、农民、小资产阶级群众中去。
在此后的两年中，由于中国共产党人卓有成效的工作，国民党在全国范围内得到了前所未有的大发展。特别是工农分子和青年学生加入国民党，为国民党带来了新的生机和活力。遍布全国很多省市的国民党党部是以共产党员和国民党左派为主建立起来的，其中有些负责人就是共产党员。如北京执行部的李大钊、于树德，汉口执行部的林伯渠、李立三、项英，湖北省党部的董必武、陈潭秋，湖南省党部的何叔衡、夏曦，上海执行部的毛泽东、恽代英等。
鉴于辛亥革命“只有革命党的奋斗，没有革命军的奋斗”的教训，孙中山接受共产党人建议，仿照苏联红军军校建制，于1924年5月在广州黄埔创办陆军军官学校，直属国民党中央执行委员会，最高领导机关为校本部。孙中山兼任校本部总理，任命蒋介石为校长，廖仲恺为党代表。共产党积极支持黄埔军校办学，从各地选派大批共产党员和青年团员入校学习。周恩来、恽代英、萧楚女、叶剑英、聂荣臻等先后担任军校领导和教学工作。黄埔军校培养的大批军事骨干，成为统一广东革命根据地和北伐战争的中坚力量。7月3日，国共两党合办的农民运动讲习所在广州正式开学。至1926年9月，在彭湃、毛泽东等主持下，讲习所连办六届，培训700多名骨干。这一切为即将到来的大革命（或称国民革命）奠定了政治基础和组织基础。
1925年3月12日，孙中山病逝。国共两党组织各界人民举行沉痛哀悼活动，广泛宣传他的遗嘱和革命精神，号召继承他的遗志，掀起大革命高潮。5月1日，共产党领导的铁路总工会、汉冶萍总工会、海员总工会等团体在广州召开第二次劳动大会，成立中华全国总工会，选举林伟民为委员长，刘少奇等为副委员长，邓中夏为秘书长，领导工人运动。月底爆发的五卅运动，标志着大革命高潮的到来。
5月15日，日本在上海外国租界开办的内外棉纱厂厂主借口存纱不足，关门停产并停发工资。当晚，工人代表顾正红（共产党员）出面交涉，遭到日本资本家枪杀。中共中央决定，以此为导火线把工人的经济斗争提升到民族斗争的高度，在租界内举行大规模反帝示威活动。5月30日，上海工人和学生散发传单、发表演讲，高呼“收回租界”、“打倒帝国主义”等口号，遭到租界英国巡捕的武力镇压，死13人，伤多人，造成了震惊中外的五卅惨案。中共中央召开紧急会议，组织行动委员会，进一步发动工人罢工、学生罢课、商人罢市，坚决反抗帝国主义的屠杀。国民党中央和各地执行部也发表宣言和通电声援。6月1日，上海全市举行“三罢”斗争，有20多万工人罢工，5万多学生罢课，绝大多数商人罢市。北京、长沙、武汉、西安等地的各界群众积极响应，奋力支援。据不完全统计，全国600多座大中小城市、1700万人参加了这场反帝斗争。
在五卅运动中，参加人数多、持续时间最长、政治影响最大的莫过于广州、香港工人大罢工，即省港大罢工。6月19日，香港数万工人罢工，支援上海的“三罢”斗争。23日，广州工人和各界民众约十万人集会，举行反帝示威游行。途经沙面对岸的西堤沙基桥西口，遭到英国租界军警枪击，死60人，伤32人，酿成骇人听闻的沙基惨案。英方的屠杀更激怒了香港工人，罢工人数增至25万，并成立了工人纠察队，封锁香港和沙面租界，中止广东地区对香港的一切物资供应，使香港顿时变成“死港”。省港大罢工先后持续16个月，沉重地打击了英帝国主义。
在大革命浪潮推动下，国共两党通力合作，在此前后消灭了盘踞在广东境内的地方军阀陈炯明、邓本殷、杨希闵和刘震寰等，统一和巩固了广东国民革命根据地。共产党抓住这一有利时机，建议国民党中央执行委员会政治委员会将孙中山主政时期成立的大元帅府改组为国民政府。1925年7月1日，公布《中华民国国民政府组织法》，在广州正式成立国民政府。汪精卫任主席，鲍罗廷被聘为高级顾问。5日，又公布《中华民国国民政府军事委员会组织法》，成立直属国民政府的军事委员会，由汪精卫任主席。随后将黄埔军校学生军和驻广东的粤军、湘军、滇军等地方军8.5万人，统一改编为国民革命军6个军，并仿照苏联红军建制在各军设立党代表和政治部。周恩来、李富春、林伯渠等共产党人分别担任政治部主任或党代表、副党代表。
