初到巴黎时，陈延年继续与国内外的无政府主义者联系，参与无政府主义组织的活动。他曾编辑无政府主义的刊物《工余》，并与法国早期著名的无政府主义大师格拉儒常有往来。但是当他看到一些留法的无政府主义者，包括华法教育会中的无政府主义"同志"只会夸夸其谈而不刻苦学习时，便产生了反感情绪，认为他们"大都无头脑"，对科学"似乎一无所知，一无所研究"。尤其是在巴黎期间，陈延年逐步接触到资本主义社会的各个方面，认识到资本主义制度的腐朽，造法国社会起任何积极作用，却越来越堕落为资本主义制度的辩护士。这一切，都使陈延年对无政府主义感到失望。正如他在给友人的信中所说："到海外来，耳所闻，目所见，更有令人失望者。"对无政府主义信仰的动摇乃至对无政府主义的失望，促使陈延年去探求新的真理，寻找新的思想武器。于是，他开始阅读马克思主义的著作，研究十月革命。他先后阅读了法文版的《共产党宣言》、《社会主义从空想到科学的发展》等经典著作，研究了唯物史观、剩余价值论、阶级斗争和无产阶级专政等马克思主义的基本学说，特别是马克思主义者对无政府主义的批判，使陈延年得到了启发和教育，从1921年开始，陈延年的思想逐渐发生了变化。然而，促使陈延年的思想发生根本转变的，还是革命斗争的实践。
1921年，在共产主义者蔡和森、赵世炎等人的领导下，留法勤工俭学学生进行了三次重大斗争；2月下旬争取生存权和求学权的"二·二八"斗争；9月间进驻里昂中法大学的运动。在这些斗争中，控制华法教育会的无政府主义者吴稚晖、李石曾和当时中国驻法公使陈癳等人，不但不支持留法勤工俭学学生的正当要求和正义行动，反而勾结法国反动当局，对勤工俭学学生加以残酷的迫害，彻底地暴露出他们伪善面目。这使陈延年清楚地认识到无政府主义的空想性、欺骗性和反动性，看出马克思主义才是真正的科学。他曾深有感触地说：过去自己"对于无政府主义之信仰"，是"建在浮沙之上"的，"做革命事业，在乎？？力求理解社会生活的实际关系？？，马克思很有先见之明，一生精力，全用在这个研究之上。"在斗争中，陈延年毅然抛弃了无政府主义观点，脱离了无政府主义团体，毅然同广大的留法勤工俭学学生站在一起。斗争中，李立三、赵世炎建议各派学生联合起来，成立一个群众性的勤工俭学会，得到热烈响应。勤工俭学会成立时，陈延年和弟弟乔年都参加了这一组织。
义者的高度重视。1922年初，赵世炎、周恩来等在勤工俭学学生中积极进行青年共产主义团体的筹建活动。他们满腔热情地争取延年兄弟参加这一组织。这年4月，赵世炎在五天之内，两次写信给国内与陈延年有交往的陈公培，说原来信仰无政府主义的陈延年、乔年近来倾向大变，可惜自己与二陈均无接洽，要陈公培速来信与二陈接洽。
1922年6月18日上午，在巴黎西门外布伦湟森林的一块空地上，旅欧的共产主义者举行代表会议。会议一致同意组织以马克思主义为指导的旅欧中国少年共产党(简称"少共")。陈延年出席了这次会议，后来又被增补为中央执行委员会委员，并任宣传部长。旅欧中国少年共产党中央执行委员会的办公机构设在巴黎南部的一个小旅馆里，专门从事组织工作的，主要是"少共"书记赵世炎和宣传部长陈延年。这年8月，"少共"的机关刊物《少年》创刊，陈延年负责编辑和刻飞、陈乔年等晚上作工结束回到旅馆后也帮着印刷、装订。他们经常忙到深夜一、二点。尽管当时设备简陋，工作条件艰苦，但在陈延年和同志们的辛勤工作下，《少年》不仅按时出版，而且内容丰富，成为理论性和战斗性很强的刊物，在勤工俭学学生和华工中产生了巨大的影响。
1922年秋，陈延年等在越籍法共产党员阮爱国(胡志明)的介绍下，参加了法国共产党。不久，中共中央正式承认参加法共的中国同志为中国共产党员，并组成中共旅欧支部，陈延年和周恩来、赵世炎等被选为支部的领导成员。1923年2月17-19日，旅欧中国少年共产党在巴黎西郊的一个小镇召开了第二次代表大会，决定正式改名为中国共产主义青年团旅欧支部，隶属于国内共产主义青年团中央委员会。1924年2月1日、《少年》改名为《赤光》，由邓小平负责编辑印刷。
1922年底到1923年初，根据中共中央的指示，中国旅欧支部决定派赵世炎、陈延年、陈乔行在周思来的伴送下启程，由巴黎经比利时、德国，于4月中旬，到达被人们称为"红都"的莫斯科，进入东方劳动者共产主义大学(简称东方大学)学习。
在莫斯科，陈延年亲身体验到社会主义制度与资本主义制度的本质区别，看到了马克思主义的巨大精神力量，不禁感慨万千，心潮汹涌，决心清除无政府主义思想残余，献身无产阶级革命事业。在东方大学，他以顽强的毅力，努力克服因不懂俄语所带来的学习上的困难，认真刻苦地学习马克思主义理论。他坚持作听课笔记和读书笔记，经常与赵世炎、王若飞等交流学习心得，传阅、补充学习笔记，讨论疑难问题。陈延年平时沉默寡言，思考问题时总喜欢徘徊度步，但在讨论和研究理论问题时，却总是热烈发言，明确系统地阐述自己的观点。为了弄清一些重要问题，他常常与别人争得面红耳赤，与平时的他判若两人。同学们问他为何如此认真，他回答说，列宁同学们对于他的这种精神十分钦佩，便给他送了一个"小列宁"的雅号。
陈延年、赵世炎等进入东方大学学习，使以罗亦农任书记的中共旅莫支部的骨干力量有了很大加强。陈延年、赵世炎抵莫不久，即参加了支部的领导工作，赵世炎任支部委员，陈延年为支部干事，负责组织工作。在工作中，陈延年认真负责，一丝不苟，只要发现同学有一点好的表现或在某一方面取得进步就当众表扬，有缺点错误和不妥当的言行便当面予以批评。他不仅热心帮助同学，更能严格要求自己。在法国时，因为张申府的某些缺点，陈延年曾在团的代表大会上主张开除张的团籍。中共旅莫支部为加强党的组织纪律教育，作出决议明确指出开除张的团籍是不对的。陈延年经过同志们的帮助，认识到自己对于这一问题的态度过于偏激，立即在支部会上作了诚恳的公开检讨。同志们都称赞他是"善于掌握批评与自我批评的好榜样"。
践和革命斗争的考验和锻炼，终于成长为一个用马克思主义理论武装起来的无产阶级革命家。
开疆辟土国共合作实现后，中国革命的形势日趋高涨，党急需要大批干部领导革命斗争。1924年七八月间，根据党中央的决定，陈延年和部分同志离开莫斯科，取道海参崴回国。由于路途遥远，车船辗转，经过一个多月的跋涉，他们才回到阔别了五年的上海。到了旅店，放下行装，陈延年就前往党中央机关接头。翌日，大家便到中央机关，向中央汇报在东方大学学习的情况，接受新的任务，陈延年被派往当时大革命的中心---广州。
1924年10月上旬，陈延年到达广州，被任命为社会主义青年团中央驻粤特派员，和一个月前奉调从法国回到广州担任中共广东区委员会委员长的周恩来一起，住在东山恤孤院路的一幢楼上。
陈延年一到广州，便立即开展调查研究，着手抓青年团的工作。当时，由于社会主义青年团粤区区委的负责人多数兼做党的工作，无暇过问团的事务，加上经费短缺，团区委的活动实际处于停顿状态。陈延年到广州之后，立即根据团中央的训令，先后主持召开了团粤区委第二十六次常会和社会主义青年团粤区代表会议，研究团的工作如何适应当前革命的形势，制订团的方针任务，改组团区委。
他还积极筹划，物色干部，筹集经费，建立规章制度，健全组织机构，认真抓好超龄及从事农工运动团员的入党工作的发展新团员的工作。经过陈延年和其他同志的努力，广东团组织的工作有了较大的进展，工作作风也有较大的转变，工作局面逐渐打开了。
1924年11月，中共广东区委委员长周恩来兼任黄埔军校政治部主任，中共中央决定调陈延年任中共两广区委秘书、组织部长兼宣传委员会的领导工周恩来参加第一次东征，中共中央任命陈延年为广东区委书记，正式接替周恩来主持区委工作。广东区委的管辖范围，包括广东、广西两省，1925年冬还扩展到福建南部、云南及南洋一带。它是大革命时期中国共产党最大的一个地方组织，在建立和巩固广东革命斗争中起着重要作用。陈延年担任这一职务，直到他1927年3月离开广州为止。
陈延年担任中共广东区委书记以后，立即致力于建立和健全区委的领导机构，花大力气抓党的组织建设和发展工作。为了加强区委的集体领导，他首先提议成立了区委主席团(即常委会)，成员有陈延年、周恩来、张太雷、苏兆征、彭湃、阮啸仙、罗绮园、邓中夏、穆青、杨匏安、蔡畅和谭植棠等人。接着又设立了区委的秘书处、组织部、宣传部、工人部、农民部、妇女部、青年部、军事部及监察委员会等机构，分工明确，各司其职，分别处理区委的日常事务和领导全区各个方面的工作。
还领导区委大力发展各条战线的积极分子入党，扩大和巩固党的基层组织。他多次在区委有关会议上强调，要在重大的革命斗争中物色发展对象，将真正经得起实际斗争考验，阶级觉悟较高的工人、农民、知识分子等吸收到党内来。他还身体力行地深入到工厂、农村和学校了解情况，指导工作，帮助解决问题，亲自抓吸收先进分子入党的工作。对于要求入党的同志，陈延年总是热情关怀，严格要求，耐心做好工作。1926年北伐前夕，担任中山大学文学院院长职务的郭沫若要求加入中国共产党。延年根据当时的实际情况，认为他还是先不入党为好，并先让学委副书记毕磊征求他的意见，后再由学委书记恽代英代表党组织和他谈话。谈话后，郭沫若表示愿意放弃中山大学文学院院长的职务，到部队做实际工作。不久，恽代英就介绍他任国民革命军政治部宣传科科长，参加了北伐战争。后来郭沫若在国共合作破裂后，坚定地站在中国共产党一边，参加了八在大力发展党组织的同时，陈延年还规定了严格的组织生活和会议制度，强调党的纪律，坚决清除不合格的党员，以保证党的组织的纯洁性和坚强的战斗力。当时在广东大学教书的周佛海，是一个老资格的党员。早在1921年中国共产党成立之前，他就在日本参加了共产主义小组，还出席过党的第一次全国代表大会。但后来他自由散漫，目无组织纪律，不参加党的组织生活，并时常发表与党的策略相违背的言论。陈延年便亲自找他谈话，对他进行批评教育，但他毫无悔改之意。后来，陈延年就把他的问题提交区委会讨论，决定将他开除党籍。
为了加强党的基层组织建设，陈延年先后派出黄平、彭湃等同志深入广东各县及香港、广西梧州、南宁、桂林和福建的厦门、漳州等地发展党员，建立党组织，开展革命活动。
由于陈延年和广东区委卓有成效的工作，这一地区党的工作获得了极大的发展。在不到两年的时间里，广东区委领导下的地区党员总数从原有的几百人发展布广东全省、香港、广西和闽南的重要地区。
军中铁魂陈延年十分重视党对军队的领导，以极大的精力加强党在军队中的工作，首先是黄埔军校中党的工作。
黄埔军校全称为黄埔陆军军官学校，是1924年5月，孙中山为培养革命军事干部，在中国共产党的倡议和支持下，在苏联的帮助下成立的。同年11月，周恩来到该校直接领导政治部工作。陈延年主持广东区委工作后，与周恩来密切配合，先后调派恽代英、聂荣臻、萧楚女、熊雄等得力干部到黄埔军校工作。到1925年1月，军校二期学员入学后，党员人数已增至43人，陈延年和周恩来便及时将中共黄埔军校支部扩大为中共黄埔军校特别支部，直属广东区委领导。后来，黄埔军校的党组织又由特别支部扩大为中共黄埔军校党团。在党团的领导下，政治部、第一军官团、第二军官团、炮兵大队、政治大队都成立了党小组。
陈延年十分关心黄埔军校党组织工作，经常在区委召开黄埔军校党团成员会议，了解军校情况，布置各个时期的中心任务，有时还亲自到军校检查党团工作，解决问题。1925年2月，为了团结校内外的左派革命军人，与右派作斗争，根据区委指示，黄埔军校成立了以共产党员蒋先云、陈赓、左权、王一飞等为骨干的青年军人联合会。陈延年对青年军人联合会的工作十分关心，经常予以指导。1925年5月7日，他以"民旅解放协会"代表陈东的名义列席了在广州大沙头举行的中国青年军人联合会第一次全体职员大会，并发表了讲话。
在周恩来、陈延年的直接领导和亲切关怀下，黄埔军校的党团员在历次斗争中，发扬勇敢作战、对统一广东革命根据地和进行北伐战争，以及与帝国主义、国民党右派斗争等方面，都发挥了重要作用。
周恩来、陈延年和广东区委还非常重视工农革命武装的建设。为了提高在大革命风暴中逐渐建立起来的农民自卫军的素质，广东区委指示农委在农民运动讲习所开设军事课程，并从黄埔军校的毕业生中选派共产党员前去担任军事教官，对学员进行军事训练。在陈延年、周恩来和广东区委的大力关怀下，到1926年5月，广东全省发展了农民自卫军3万人，极大地促进和保障了农民运动的发展。
1925年6月，在震惊中外的省港大罢工中，罢工委员会建立了一支拥有三千多人的罢工工人纠察队，分布在全省各个重要港口，对封锁香港，打击英帝国主义及其走狗，保证罢工顺利进行发挥着重要作用。陈延年经常到罢工委员会了解情况，指导工作。他热情洋溢地赞扬罢工工人纠察之萎靡不振的军阀部队大不相同。"为了直接掌握革命武装，培训和训练自己的军事干部，陈延年和周恩来征得孙中山同意，以黄埔军校和其他单位抽调的一批共产党员为骨干，组建了"建国陆海军大元帅府铁甲车队"，并动员了一批工人、农民和进步青年到铁甲车队当兵。铁甲车队建立了党小组，直属广东区委领导，有关铁甲车队的干部配备、调动以至重大活动等，都直接向陈延年和周恩来请示报告。这样，铁甲车队实际上成为中国共产党直接掌握的第一支革命武装。
