自1929年開始，陳獨秀接受了托洛茨基主義。8月，陳與「我們的話派」（註：由托派留蘇學生被遣送回國後於1928年在上海成立的第一個托派組織）接觸，希望加入該組織。但我們的話派主要成員不但不歡迎陳等人，反而對他們很是厭惡，諷刺說：「這些沒有出路的老機會主義者向我們托派投機了。」
加入我們的話派未果後，陳獨秀開始自行組織托派組織。中共中央發覺後，對陳提出警告，要求陳「一月內作篇反對反對派的文章，並編入中央直屬支部中參加黨的生活」。陳認為中共中央的要求是「發狂鬧的笑話」，也復函針鋒相對地對中共中央「作一次最後的警告」：「我現在正式告訴你們：在你們，絕對沒有理由可以開除發表政治意見的任何同志……因此造成黨的分裂，是應該由你們負責的！」11月15日，中共遵照共產國際的意見，通過了開除了陳獨秀、彭述之、江澤楷、馬玉夫、蔡振德五人黨籍的決議。
12月15日，陳獨秀等人在上海正式成立托派組織「中國共產黨左派反對派」（又名「無產者派」），並很快發展至百人。共產國際遂開始改變對陳獨秀的策略態度，致電陳稱：「決定予你以機會來參加本政治書記處審查中國共產黨中央開除你的黨籍決定的會議。」陳獨秀再一次表示拒絕，他給共產國際的回信道：「我的問題不是一個簡單的個人問題」，如共產國際「不肯正式公佈於各國支部加以討論」托洛茨基的主張，那麼他和共產國際之間的「不可調和的不同意見」，就「決不是調我個人到莫斯科便可解決的」。
無產者派的內部矛盾很快尖銳起來，彭述之不久便與陳獨秀髮生矛盾。當時何資深說彭是個「紙老虎」，陳獨秀說：「不是紙老虎，是爛西瓜。紙老虎裡面不過空無所有而已，爛西瓜表面很好看，剖開之後噴出一陣惡臭。」此後，「無產者派」常委每次開會必定發生激烈吵架。
1930年4月，托洛茨基委託陳獨秀出面統一中國托派組織。經過陳的努力，5月1日至3日，統一大會秘密召開。「無產者派」的李仲山拿出一件猞猁皮大衣，典當得二百多元，充作大會經費，在上海大連灣路租了一幢房子，讓王茨槐帶著妻子、女兒住進，掩護開會。為了保密和安全，在這三天中，除了陳獨秀一人外，所有代表都要住在會場內，開完會之後才能出去。大會上，陳獨秀被選舉為書記。
統一大會結束後，陳獨秀給托洛茨基拍了一個電報，喜氣洋洋地告訴他，他的中國同志正完成了一個有意義的開端，布爾什維克——列寧派的旗幟不久就將飄揚在全國。
然而大會甫一結束，內部便矛盾重重。由於陳獨秀的文章說紅軍是「土匪」，所以青年托派對他寫的文章不放心，認為他已是總書記，對外便代表整個托派的觀點，因此要求他寫的文章發表前最好讓大家看看，同意後再發表。陳對此大發脾氣，說：「文章像人一樣，要有個性，大家同意，就沒有個性了，還寫什麼文章！」
大會結束不久，梁乾喬、陸一淵等四人即跑到南京加入軍統，並公開發表聲明，聲稱共產主義不符合中國國情。而馬玉夫因未當上「中委」，竟去國民黨龍華警備司令部告密，致使13名托派成員被捕，其中包括除了陳獨秀、彭述之和羅漢之外的托派統一組織全部中央委員和候補中央委員，托派統一組織的常委僅剩陳獨秀一人。此時，距離托派成立大會結束僅20天。陳獨秀哀嘆說：「我不識人！」
1932年春，原托派「中委」濮清泉、宋逢春因獄中時疫流行，保外就醫。陳獨秀召集二人與彭述之、羅世潘共五人成立臨時中央委員會。但是年10月15日，彭述之等四人到秘書謝少珊家中開會，中統特務跟蹤濮清泉至，將他們全部逮捕。陳獨秀因病未出席這次會議，本可倖免，但由於唯一知道他住址的謝少珊的出賣，他也於晚上被捕。因謝的出賣，另外五名托派骨幹被捕，包括編輯托派機關報《火花》的曾猛，被捕時他正印刷第13期《火花》。至此，托派中央被一網打盡。事後，因招供有功，謝少珊未被起訴，加入了「中統」，更名「謝力功」。
1934年下半年至1935年初，劉仁靜等人趁陳獨秀在獄中的機會，將1931年至1932年托派中央的文件翻出來，批判為「徹頭徹尾的機會主義」，要陳獨秀承認錯誤，陳堅決拒絕。於是，托派中央便將陳開除出托派。