自1929年开始，陈独秀接受了托洛茨基主义。8月，陈与“我们的话派”（注：由托派留苏学生被遣送回国后于1928年在上海成立的第一个托派组织）接触，希望加入该组织。但我们的话派主要成员不但不欢迎陈等人，反而对他们很是厌恶，讽刺说：“这些没有出路的老机会主义者向我们托派投机了。”

加入我们的话派未果后，陈独秀开始自行组织托派组织。中共中央发觉后，对陈提出警告，要求陈“一月内作篇反对反对派的文章，并编入中央直属支部中参加党的生活”。陈认为中共中央的要求是“发狂闹的笑话”，也复函针锋相对地对中共中央“作一次最后的警告”：“我现在正式告诉你们：在你们，绝对没有理由可以开除发表政治意见的任何同志……因此造成党的分裂，是应该由你们负责的！”11月15日，中共遵照共产国际的意见，通过了开除了陈独秀、彭述之、江泽楷、马玉夫、蔡振德五人党籍的决议。

12月15日，陈独秀等人在上海正式成立托派组织“中国共产党左派反对派”（又名“无产者派”），并很快发展至百人。共产国际遂开始改变对陈独秀的策略态度，致电陈称：“决定予你以机会来参加本政治书记处审查中国共产党中央开除你的党籍决定的会议。”陈独秀再一次表示拒绝，他给共产国际的回信道：“我的问题不是一个简单的个人问题”，如共产国际“不肯正式公布于各国支部加以讨论”托洛茨基的主张，那么他和共产国际之间的“不可调和的不同意见”，就“决不是调我个人到莫斯科便可解决的”。

无产者派的内部矛盾很快尖锐起来，彭述之不久便与陈独秀发生矛盾。当时何资深说彭是个“纸老虎”，陈独秀说：“不是纸老虎，是烂西瓜。纸老虎里面不过空无所有而已，烂西瓜表面很好看，剖开之后喷出一阵恶臭。”此后，“无产者派”常委每次开会必定发生激烈吵架。

1930年4月，托洛茨基委托陈独秀出面统一中国托派组织。经过陈的努力，5月1日至3日，统一大会秘密召开。“无产者派”的李仲山拿出一件猞猁皮大衣，典当得二百多元，充作大会经费，在上海大连湾路租了一幢房子，让王茨槐带着妻子、女儿住进，掩护开会。为了保密和安全，在这三天中，除了陈独秀一人外，所有代表都要住在会场内，开完会之后才能出去。大会上，陈独秀被选举为书记。

统一大会结束后，陈独秀给托洛茨基拍了一个电报，喜气洋洋地告诉他，他的中国同志正完成了一个有意义的开端，布尔什维克——列宁派的旗帜不久就将飘扬在全国。

然而大会甫一结束，内部便矛盾重重。由于陈独秀的文章说红军是“土匪”，所以青年托派对他写的文章不放心，认为他已是总书记，对外便代表整个托派的观点，因此要求他写的文章发表前最好让大家看看，同意后再发表。陈对此大发脾气，说：“文章像人一样，要有个性，大家同意，就没有个性了，还写什么文章！”

大会结束不久，梁干乔、陆一渊等四人即跑到南京加入军统，并公开发表声明，声称共产主义不符合中国国情。而马玉夫因未当上“中委”，竟去国民党龙华警备司令部告密，致使13名托派成员被捕，其中包括除了陈独秀、彭述之和罗汉之外的托派统一组织全部中央委员和候补中央委员，托派统一组织的常委仅剩陈独秀一人。此时，距离托派成立大会结束仅20天。陈独秀哀叹说：“我不识人！”

1932年春，原托派“中委”濮清泉、宋逢春因狱中时疫流行，保外就医。陈独秀召集二人与彭述之、罗世潘共五人成立临时中央委员会。但是年10月15日，彭述之等四人到秘书谢少珊家中开会，中统特务跟踪濮清泉至，将他们全部逮捕。陈独秀因病未出席这次会议，本可幸免，但由于唯一知道他住址的谢少珊的出卖，他也于晚上被捕。因谢的出卖，另外五名托派骨干被捕，包括编辑托派机关报《火花》的曾猛，被捕时他正印刷第13期《火花》。至此，托派中央被一网打尽。事后，因招供有功，谢少珊未被起诉，加入了“中统”，更名“谢力功”。

1934年下半年至1935年初，刘仁静等人趁陈独秀在狱中的机会，将1931年至1932年托派中央的文件翻出来，批判为“彻头彻尾的机会主义”，要陈独秀承认错误，陈坚决拒绝。于是，托派中央便将陈开除出托派。