山口岩是进入大安里山区的咽喉要道，中间是水深湍急的袁河，两侧是悬崖峭壁，地势十分险要。第一团一营从山口岩进山后，该团二营和第二团战士挑着行李，稀稀拉拉地成纵队前进，队伍拉得很长，将第三团甩到了后面。因为天黑路窄，第三团渐渐迷路了。一团用号音与之联络，第三团虽也答号，可就是找不到前进的道路，向导只知去杨村，但相反的方向也有一个杨村，于是第三团竟向相反的方向行进。等发现走错了方向时，已经有人向他们开枪了。原来是国民党江保定特务营赶到，突然向第三团开火。第三团由于事先侦察不力，以为只是小股国民党团防武装，未能组织猛烈的火力反击。10多分钟后，自宜春方向赶到芦溪的国民党江西第四保安团从西北方向直扑山口岩的白泥山，配合江保定营追击第三团。第三团被敌军迫得慌不择路，行李又挡住了前进的道路，走不动。除了伍中豪带了1营人从左侧登山追上队伍外，其余被打得溃不成军。等到团长苏先俊单人独马赶来时，敌军已追到了，两军交锋甚烈。当国民党军队向上冲锋，起义军组织反击时，苏先俊却误以为向上冲的是自己的部队，大呼：“师长，停止！那是第三团的兵，统统打死了！”待到真的吹号停止时，国民党军队已爬到了山腰。想再恢复抵抗时，第二营已从山上排山倒海般溃败。
在这万分危急的关头，总指挥卢德铭挺身而出，亲自率1连兵力返回山口岩，夺下白泥山头，英勇地阻击敌人，掩护后续部队撤离，打退了敌人的多次进攻。卢德铭本人却不幸中弹，壮烈牺牲。时年只有22岁。芦溪一战，起义军损失惨重，人枪各损失300余。特别是总指挥卢德铭同志牺牲，这对于起义队伍是一个极其重大的损失。对于芦溪一战的惨重损失和卢德铭的牺牲，毛泽东非常痛惜。他愤怒地斥责侦察不力、指挥错误的第三团团长苏先俊：“还我卢德铭！”38年后的1965年，毛泽东重上井冈山，在茨坪同江西省委负责人交谈时，感慨地说：“井冈山道路的探索是中国革命最关键的一步。为了创建这块革命根据地，不少革命先烈牺牲了。他们是一批有信仰、有抱负的年轻人。秋收起义总指挥卢德铭，一个很好的同志，有智慧，能吃苦，在文家市决定进军路线的会上，就是他有力地支持我的提议，退入萍乡向罗霄山脉转移，芦溪一战牺牲了。”
芦溪战后，起义军一路艰辛，加快了向莲花前进的步伐。莲花县在萍乡县南面，东北与安福县接壤，南为永新县，西靠湖南攸县、茶陵，全县四面环山。对起义军来说，这里有良好的群众基础和党组织的基础，是建立根据地的比较好的地方，后来这里成为井冈山革命根据地的一部分。
9月25日，起义部队到达莲花县甘家村。由于一再受挫，总指挥又牺牲，低落的情绪笼罩着部队。这时，莲花县党组织派人前来联络。原来，几天前，莲花县农民自卫军攻城失败，城内被关押着90多人，而国民党在莲花的守兵只有一些保安部队，战斗力并不强。毛泽东在得知这些情况后，立即召开前委会，一致决定攻打莲花县城。26日清晨，工农革命军冒雨奔袭，在当地工农群众的配合下，一举攻克莲花县城，砸开牢房，救出被关押的共产党员和革命群众100多人，打开县政府的粮仓，将粮食分给贫苦群众。莲花县城，是起义军从文家市南下后攻下的第一个县城，使连连受挫的工农革命军指战员又兴奋起来，大大鼓舞了士气。
这时，起义军领导层内部却发生了严重的问题。担任工农革命军第一师师长的余洒度，原来并不归湖南省委领导，他也没有把毛泽东任书记的湖南省委前敌委员会真正放在眼里。部队到文家市后，他仍旧主张进攻长沙，同毛泽东发生严重争执，但原来是他上级的总指挥卢德铭坚决支持毛泽东，对他还有约束作用。卢德铭牺牲后，他对前委不尊重的态度越来越明显起来。部队进入莲花县城后，他警惕性不高，擅自放走了被捉的莲花县保安队长。毛泽东批评他，他不但不以为然，还同毛泽东激烈争执起来。统一部队思想和指挥的问题严重地摆在起义部队面前，也摆在了担任前委书记的毛泽东面前。
行军途中十分艰苦，毛泽东的脚被磨破了，步履艰难。战士们临时捆了一副竹竿担架，要抬他走，他坚决不肯。在毛泽东看来，行军的艰苦并不是最大的困难，部队下一步的行动才是他时时在思考的大事，如何真正把部队锻造成为党领导下的坚强战斗堡垒才是对起义部队和对中国革命至关重要的大问题。起义军自转兵南下以来，一路艰苦战斗，不断有指战员牺牲，而且疟疾流行，一路上总有病人掉队或因缺医少药死在路旁的事发生。一些长官还存在打骂士兵的旧军队习气，军队中党的组织不健全，虽然有不少党员，但没有形成坚强的组织核心，在艰苦的战斗中很难做到对士兵的全面管理。有些兵士纪律观念不强，有的革命意志不坚定的投机分子公开逃跑。如果不改变部队的这种状况，部队的未来难以预料，要保持部队的战斗力，以上种种问题急待解决。
9月29日，起义部队到达永新县三湾村。三湾位于江西永新、莲花、宁冈和湖南茶陵4县交界的九陇山北麓。这里群山环抱，追敌已被摆脱，而且这里也没有反动武装，比较安全。部队在这里住了5天。这是工农革命军自秋收起义以来第一次得到从容休整的机会。经过长途跋涉和几次艰苦的作战，这时的起义部队已不过千人，大部分是各地工农运动中的骨干，对国民党反动派有着刻骨仇恨，在艰苦的斗争面前能经受住考验。但由于疲劳、疾病以及沿途的蚊叮虫咬的威胁，又经常遭到敌人的袭击，部队的思想状况比较复杂。当天晚上，毛泽东在“泰和祥”杂货铺中召开中共前敌委员会扩大会议。会上，毛泽东总结了秋收起义部队受挫后的经验教训，分析了部队的政治思想情况和组织状况，特别指出部队存在着严重的失败主义情绪，当前的组织形式已很不适应形势的发展，提出了对部队进行整顿和改编的主张。在前委大多数与会同志的支持下，会议通过了毛泽东的提议。从9月29日至10月3日，部队在三湾进行了全面整顿和改编。这就是著名的“三湾改编”。
三湾改编的主要内容有：第一，把已经不足1000人的部队，缩编为一个团，称工农革命军第一军第一师第一团，团长由陈浩担任，这就从实际上取消了余洒度、苏先俊等对军队的指挥权。下辖一、三两个营，还有特务连、卫生队、军官队、辎重队各一个，共有700多支枪。改编时，毛泽东宣布，愿留则留，愿走的发给路费，将来愿意回来还欢迎。通过整顿，撤换了不称职的指挥员，其中主要的是余洒度和苏先俊两人。余、苏二人既缺乏指挥才能，又骄横跋扈，不爱护部队，不听从党的指挥，军阀作风严重。经过整顿，留下来的是经过战斗和艰苦生活考验的革命者，人数虽少了，但却精悍多了；编制虽缩小了，但战斗力大大增强了，为后来上井冈山进行武装割据作了重要的组织准备。第二，全军由党的前敌委员会统一领导。对前敌委员会进行了改组，书记仍由毛泽东担任，增补了宛希先、熊寿祺等人为前委委员，党的前敌委员会既领导军队，也领导地方。各级部队分别建立党的组织，确立了“支部建在连上”的制度，班排设小组，支部建在连队上，营、团建立党委，连以上设党代表，由同级党组织的书记担任。部队的一切重大问题，都必须经党组织集体讨论决定。这就从根本上改变了旧军队的习气和农民的自由散漫的作风。
第三，在部队实行民主制度。官兵平等，待遇一样，规定长官不许打骂士兵，士兵有开会说话的自由。连以上设立士兵委员会。士兵委员会有很大的权力，参加对部队的行政管理和经济管理，官长要受它的监督。三湾改编时部队实行的民主改革对党领导的新型人民军队的发展产生了深远的影响。罗荣桓曾经回忆这个问题时说：“为了扫除军队的一切不良制度和风气，毛泽东同志果断地采取了许多革命的措施。例如，士兵委员会就是这时候产生的。为了反对旧军队的一套带兵方法，实现政治上的官兵平等，建立新式的带兵方法，这就需要实行民主政策。士兵委员会就是实现民主的一个组织形式。那时，士兵委员会有很大的权力，军官要受士兵委员会的监督，做错了事，要受士兵委员会的批评，甚至制裁。表面看来，这样做似乎是会鼓励极端民主化和平均主义的思想，但当时的主要问题是必须坚决反掉旧军队的一套带兵方法，奠定新型的官兵关系——阶级的团结。部队的实际情况是民主不够，而不是什么极端民主化和平均主义的问题，因此只有这样做，才能更彻底更有效地肃清军阀残余。有了民主，才能提高群众觉悟，才能建立巩固的集中。”在三湾改编中，部队里不但实行政治民主，而且实行经济的民主。实行经济公开，连队的正副采买负责经济管理，每月公布和清查账目，分伙食尾子。这样做不仅克服了过去官兵生活中待遇悬殊和干部特殊化问题，而且真正做到了官兵生活待遇平等，缩小了官兵之间的距离，建立起了亲密的官兵关系。
部队通过改编，面貌焕然一新，战斗力显著增强。特别是“支部建在连上”，是毛泽东建军原则的一个重要创造，对确保新型人民军队的建立和巩固具有重要而深远的意义和影响。1928年11月，毛泽东在名为《井冈山的斗争》的给中央的报告中说：“红军所以艰难奋战而不溃散，‘支部建在连上’是一个重要原因。两年前，我们在国民党军中的组织，完全没有抓住士兵，即在叶挺部也还是每团只有一个支部，故经不起严重的考验。现在红军中党员和非党员约为一与三之比，即平均4个人中有1个党员”。三湾改编时实行的改革措施，从根本上改变了旧军队的不良习气，是建设新型人民军队的重要开端，在人民军队的建军史上具有重大意义。
在三湾，毛泽东还提出一个重要问题：我们要和地方结合起来，要取得地方的支持，一方面我们把伤病员交给他们，他们可以把我们的伤病员安置好，另一方面我们可以把枪发给他们，帮助他们发展起来。这样我们就不会被敌人打垮。这里，实质上提出了武装斗争同建立农村革命根据地相结合的思想。