27军与长征到达陕北的红25军会师，组成红15军团，刘志丹任副军团长兼参谋长。10月参与指挥劳山战役。后“左”倾路线统治时期的“肃反”中被逮捕，备受折磨，但他始终坚持原则。不久，中共中央到达陕北，毛泽东、周恩来等迅速纠正了陕甘苏区党内“肃反”的错误，刘志丹从而获释。此后任西北革命军事委员会后方办事处副主任、红军北路军总指挥兼第28军军长和中共中央所在地瓦窑堡警备司令等职。刘志丹经常教育部队顾全大局，绝对服从中共中央的领导和调遣。在他的影响下，陕北红军与中央红军团结一致，共同对敌。周恩来说：“刘志丹同志对党忠贞不二，很谦虚，最守纪律，他是一个真正具有共产主义品质的党员。”
1936年3月，刘志丹率红28军参加东征战役，挺进晋西北，迭克敌军。4月14日在中阳县三交镇战斗中牺牲，年仅33岁。
刘志丹烈士一生热爱党、热爱祖国、热爱人民，追求真理，英勇善战，百折不挠，艰苦奋斗，忠心赤胆，为创建红军和革命根据地，为中国人民的解放事业建立了不可磨灭的功勋。1936年，中央决定将保安县改名为志丹县，以志永久纪念。1940年，西北局和陕甘宁边区政府在县城北修建了志丹陵园，1943年陵园建成，将志丹灵柩运回志丹县。4月19日起灵柩于子长县，并召开了“公祭刘志丹烈士大会。”4月23日延安各界万人举行公祭大会，由西北局书记高岗主持，朱德、任弼时、秦邦宪、林伯渠等讲了话，毛泽东、周恩来等中央领导赠送了白绸挽联。24日，刘志丹烈士的灵柩在高岗、林伯渠、吴岱峰、边区民政厅长刘景范（刘志丹之弟）、张秀山、康天明、王世泰、马锡武、曹力如等护送下运回志丹县，4月26日抵达县城，当地群众祭奠者络驿不绝。5月2日.召开了万人公祭大会，高岗介绍了志丹的生平事迹，林伯渠、张秀山等先后讲话，尔后安葬于志丹陵园内。1943年，刘志丹牺牲7周年时，毛泽东主席亲笔题词：“群众领袖，人民英雄”。