1931年12月14日，趙博生、董振堂、季振同等率全軍1.7萬多人宣布脫離國民黨，參加紅軍。而此時的紅壹、三軍團，加起來也只有2萬多人。16日，軍委就授予起義部隊“中國工農紅軍第五軍團”的番號，下轄第十三、十四、十五三個軍，董振堂、趙博生、黃中嶽分別兼任各軍軍長。隨後，紅五軍團開往石城壹帶進行整編。毛澤東對“寧都起義”有很高評價，曾於1938年12月題詞：“以寧都起義的精神用於反對日本帝國主義，我們是戰無不勝的！”
經過整編後，紅五軍團成為我工農武裝的壹支雄師鐵軍。1932年，紅壹、三軍團攻打贛州，由於贛州城三面環水，又有堅實的城墻，易守難攻，炸城墻進到城裏的紅軍被國民黨軍包圍，此時紅五軍團第十五軍受命前往增援，戰士們揮舞大刀沖進敵陣，把受困的部隊解救了出來。隨後在攻打漳州以及中央蘇區第四、五次反“圍剿”等歷次戰鬥中都屢立戰功，以勇猛頑強、善打硬仗惡仗著稱。
1933年1月8日，該軍副軍團長兼參謀長趙博生在金溪黃獅渡戰役中英勇犧牲，中央人民政府為此將寧都縣改為博生縣，並在紅都瑞金葉坪建博生堡以示紀念。寧都至今還有趙博生烈士陵園及趙博生墓，原來的起義舊址成“寧都起義紀念館”，收藏了有關紅五軍團的各種資料，寧都的博生路是目前該縣最繁華的街道之壹。
長征中，紅五軍團的行軍序列壹直在最後，主要負責抗擊敵軍追兵，掩護紅軍主力北上。壹路上，紅五軍團以頑強的阻擊和悲壯的犧牲為自己贏得了聲譽，“鐵流後衛”成為紅五軍團的另壹稱呼。紅軍隊伍中流傳著這樣壹句話：“紅壹軍團打先鋒，攻無不克；紅五軍團殿後，守無不固。”在湘江血戰和金沙江阻擊戰中，紅五軍團竭力阻擊數倍於己的追兵，不顧自己時刻面臨與主力失去聯系，甚至全軍覆滅的危險，擊退並遲滯了國民黨軍隊的行動，保證了紅軍主力和中央機關的安全，留下了許多可歌可泣的故事。
湘江戰役中，為確保中央紅軍順利渡過湘江，軍團長董振堂臨危受命，率部同蜂擁而至的敵人殊死激戰，出色地完成了任務。然而，負責殿後的紅五軍團三十四師，被敵軍阻隔在湘江以東，陷入重重包圍。三十四師面對4個師的敵人孤軍作戰，5000多名官兵大部分壯烈犧牲，師長陳樹湘在率部突圍時腹部中彈。被俘後，他從腹部的傷口中拽出腸子絞斷，壯烈犧牲，年僅29歲。
中央紅軍巧渡金沙江時，紅五軍團奉命在石板河阻擊追兵。他們在崇山峻嶺中與敵人奮戰三晝夜，像壹個“鐵閘”壹樣，緊緊把十多萬國民黨“追剿”軍堵在了僅有的壹條道路上，保證了黨中央的安全。紅軍主力渡江後，紅五軍團交替掩護撤離了石板河，順利渡過金沙江。完成渡江後，他們鑿沈了渡江的7條木船，對尾隨而來的敵人關上了追擊的大門。
1935年6月，紅壹、四方面軍會師後，紅五軍團改稱第五軍，董振堂任軍長。1936年10月，他們編入西路軍，渡黃河西征執行寧夏戰役計劃，參加了攻占山丹、臨澤、高臺等縣城的戰鬥。1937年1月12日，第五軍在甘肅高臺遭到十倍於己的國民黨軍包圍進攻，全軍將士在董振堂的指揮下誓死堅守高臺，血戰七天八夜，戰至最後壹人壹彈，終於寡不敵眾，董振堂及3800多名紅軍戰士全部壯烈犧牲。