此时如果四平失守，国民党军在长春、沈阳将孤立无援。蒋介石电令陈明仁死守四平。陈明仁认为“自己平生打仗以克敌制胜而称着，又是蒋校长的学生，当应效忠于蒋”，因此，陈明仁不听李明灏劝阻，立下遗嘱，日夜督战，死守四平40多天，巷战19个昼夜，顽强抵抗东北民主联军的进攻。事后，陈明仁在自传中承认，这是“我平生一段罪恶最深的历史”。
     七十一军的四平战绩，让蒋介石看到了希望，急令4个军增援四平。东北民主联军根据敌情变化，于6月30日放弃攻城，撤围四平。7月1日，毛泽东致电林彪：“四平战役虽未全部解决敌人，但已取得经验，给了敌人很大打击。”
     陈明仁死守四平，成了胜军之将，名噪一时。由此，陈明仁晋升为国民党军第七兵团司令官。但好景不长，派系林立的国民党军派陈诚任东北行辕主任。因早年预二师番号之争，陈诚怀恨已久。因此，陈诚到东北后，明察暗访，抓住了陈明仁几个“短板”，撤了陈明仁的职，让陈明仁回南京休养闲居。自此，陈明仁对蒋介石不能主持公道而隐怀异志，这一点，让蒋介石万万没有想到。
    毛泽东对陈明仁说：“我看林彪打仗不如你。”
    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。
     此时的陈明仁已就任国民党军华中“剿总”中将副总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，复爱乡土。”
     这样一来，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4万余人起义后不久叛逃）。
     程潜和陈明仁率部起义，毛泽东致电程、陈两位将军称：毅然脱离伪府，参加人民革命，义旗昭着，薄海欢迎。1949年8月25日，毛泽东亲自修改的新华社时评《湖南起义的意义》发表，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，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第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平，作为特别代表出席全国政协第一届会议。聂荣臻、罗瑞卿、张友渔等到车站迎接。毛泽东、周恩来、朱德等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。”于是，历史留下了一张双人半身合影。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？”
    陈明仁顺口说：“洗十打。”
    毛泽东风趣地说道：“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，毛泽东邀请陈明仁在家里吃饭时，陈明仁主动提到四平之战，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。”
     出任五十五军首任军长1949年11月，根据毛泽东向林彪、华中局、湖南省委关于陈明仁部队的整编问题的指示和起义部队的人数，陈明仁率领的国民党起义部队改编为中国人民解放军第二十一兵团，辖第五十二、五十三军。陈明仁任第二十一兵团司令员，唐天际任兵团政委。
     1949年12月2日，中国人民解放军第二十一兵团在驻地浏阳县城举行隆重的成立大会，兵团司令员陈明仁穿着解放军军服，精神焕发地主持成立大会，并宣布中央人民政府人民革命军事委员会的命令。
     成立大会上，四野政治部副主任陶铸到场讲话。陶铸说：“二十一兵团的全体同志们在程主任、陈司令员领导下，所走的路是正确的，是光荣的。这不仅在于敢冒危险排除困难，坚决举行起义，对湖南人民作出了很大的贡献，更在于起义后经过学习与自我改造，确立了为人民服务的决心”，“坚决地表示跟着中国共产党走”，“这是同志们在陈司令员领导下，经过严重思想斗争所取得的胜利”。