一、推动第一次国共合作的形成
1、出席中共“三大”
1923年4月底，毛泽东调中共中央工作，离湘赴沪。据4月14日团湘区委代理书记戴晓云给团中央报告记载：“润之、少奇不日赴粤，开党全体会议。”此次赴粤即参加中国共产党第三次全国代表大会。那时粤汉路不通车，毛泽东绕道上海，随共产国际代表马林等自沪提前赴粤，和陈独秀、李大钊、张国焘、谭平山、蔡和森、陈潭秋、罗章龙等共同进行“三大”的筹备工作。
1923年6月12日至20日，中共第三次全国代表大会在广州东山恤孤院后街31号一座两间两层砖木结构的普通楼房内召开了。30多位与会者代表全国420名中共党员聚集在这里，毛泽东以湘区党的代表的身份出席了会议。会议由陈独秀主持，大会首先就中共中央的工作、国际形势和国际工运概况、京汉铁路大罢工的情况等作了介绍和讨论。毛泽东也在会上发言，主张党的工作重点应放在城市工人运动上，同时也应该特别注意农民运动。他又以1922年长沙第一纱厂和1923年京汉罢工为例，说明工人是有觉悟的。他还说到历史上农民斗争的力量是很大的，由于毛泽东对农民问题的重视，他还被委托为大会《农民问题决议案》的起草人。
接着，大会进入了主要议题，讨论国共合作、共产党员加入国民党的问题。“二七”大罢工失败后，党内一些人就开始认识到仅仅依靠工人阶级孤军奋战不够，还必须联合广大的同盟者，才能战胜强大的敌人，取得革命的胜利。因此，中国共产党应当积极地联合孙中山领导的国民党，建立反帝反封建的统一战线。
但在“三大”的会议上，虽然与会代表对国共要不要合作并没有多少异议，却对合作的具体形式发生了激烈的争论。以张国焘为代表的一派主张工人阶级只能在自己政党的旗帜下进行革命，反对全体共产党员特别是产业工人加入国民党，不同意在劳动群众中发展国民党组织，否则会取消党的独立性，造成广大无产阶级的思想上的混乱。另一派则主张实行包括工人阶级在内的国共合作，但合作并不意味着共产党放弃其独立的地位。对此，双方进行了激烈的争吵，以至于争论得双方都拍了桌子。由于大多数代表都不同意张国焘的观点，当会议开到第四天张国焘就退出了会议。
毛泽东在会议期间很活跃，多次发言，提出了很多国共合作的理由。实际上，毛泽东对国共合作的思考早在他在赴广州参加中共三大之前就开始了。在4月离开长沙时，他在湖南自修大学主办的《新时代》创刊号上发表了《外力、军阀与革命》一文，着重阐述了帝国主义与封建军阀的勾结欺压中国人民，共产党只有和一些“非革命的民主党”同“革命的民主派”合作，才能“成功一个大的民主派”的理由。到了广州后，毛泽东又在《向导》上发表文章，提出对中国革命的基本看法：国民革命的历史使命是“打倒军阀并打倒和军阀狼狈为奸的外国帝国主义”，只有“建立严密的联合阵线，这个革命才可以成功”。
在三大的会议上，毛泽东更是根据湖南工人运动运用统一战线的策略进行斗争的经验，说明了搞统一战线的必要性。他认为，大批工人阶级加入国民党正可以改造它的成分，和资产阶级共同完成民族民主革命的任务。他还身体力行地在会议期间到位于培正路的湖南军阀谭延闿住所“简园”去做他的工作，谭时任孙中山帅府建设部长，并被孙中山任命为湘军总司令兼湖南省省长，正在为讨伐赵恒惕作准备。毛泽东一方面通过他加强对国民党的了解和联系，共同商谈国共合作事宜，另一方面则希望能把他争取过来，为中共湘区执行委员会采取联谭倒赵的决策创造条件。
大会经过9天的讨论和争论，最后通过了党章和国共合作问题的决议案。决议案规定，共产党将和国民党实行党内合作，全体共产党员以个人名义加入国民党，但仍保持共产党组织的独立性。
大会选出9名正式委员、5名候补委员组成新的中央执行委员会。陈独秀、毛泽东、罗章龙、蔡和森、谭平山为中央局成员。陈独秀为中央局委员长，毛泽东为中央局秘书。根据规定：“秘书负本党文书及通信及开会之责任，并管理本党文件。本党一切函件须由委员长及秘书签名。”“执行委员会之一切会议，须由委员长与秘书召集之”。
参加这次会议对毛泽东的政治生涯来说是一个转折。在会上，他当选为中共中央执行委员，又进入中央局担任秘书，中央局相当于后来的中央政治局。三大通过的《中国共产党中央执行委员会组织法》规定：党内下发一切函件必须由陈独秀和毛泽东两个签名，这意味着毛泽东第一次进入中共的领导核心。这时他30岁，刚好进入而立之年。
9月毛泽东随中共中央机关迁到上海。不久，他又临时离开上海到湖南。9月10日，《中共中央通告》第五号说：“中局自迁沪后略有更动，即派平山同志驻粤，而加入荷波同志入中局。又润之同志因事赴湘，秘书职务由会计章龙同志兼代。”11月24日至25日的《第一次中央执行委员会开会纪要》也记载：“到会者中局委员四人，驻京、驻鄂委员各一人，Ｓ9代表一人，特别招待同志一人，共八人。驻湘、驻粤委员未到；中局委员一人因事赴湘亦未到。”
毛泽东到达长沙时，谭赵战争正酣。谭延闿于同年7月由孙中山任命为湖南省长兼湘军总司令。赵恒惕是所谓“民选省长”兼湘军总司令，依附直系军阀吴佩孚。是年8月发生谭、赵争夺湖南统治权的战争。先是谭胜赵逃，后因赵得吴佩孚援助，于9月23日重返长沙。在谭赵战争期间，毛泽东和中共湘区执行委员会支持谭延闿，反对赵恒惕。9月28日，毛泽东在《致林伯渠、彭素民的信》中写道：“弟16日到长沙，政局忽又变化。赵于23日由平江入省。大张布告恢复省政府；北军一部业已到岳州，前途如何尚难逆料。惟谭军现占优势，长沙以下压湘水而阵，长沙以上则掩有醴陵之半，使北军仅据岳州，如前年张福来故事不图进攻，则谭赵必议和，而赵仍站不住。”不久，因谭延闿的“讨贼军”进一步失利，加之孙中山急调谭延闿部队归粤，以击破陈炯明部队对广州的包围，乃于11月14日退向粤境。
毛泽东这次回湘的主要任务，是贯彻中共“三大”关于国共合作的决议，指导中共湘区委员会筹组国民党湖南地方组织。他任中共湘区委书记时，就开始委托夏曦、刘少奇负责筹组国民党的工作。中共“三大”时，他主张在工人中发展国民党员，并曾捎信给当时中共湘区委员会委员长李维汉，要注意在安源产业工人中发展国民党组织。湘区委接受他的建议，委派何叔衡、夏曦、刘少奇与国民党元老覃振、邱维震组织筹备组。
这次，毛泽东以国民党中央党部派往湖南的筹备员名义来长沙，指导中共湘区委与国民党湖南筹备组筹建国民党湖南总支部。所以，他在9月28日给时任国民党总务部部长彭索民、副部长林伯渠的信中写道：“关于本党在湘发展，虽在军事时代仍应努力进行，昨与夏希同志（夏希极能做事，在学生界有力量）商议分三步办法：第一步组织长沙支部；第二步组织常德衡州及其他可能的分支部；第三步再组织湖南总支部。关于长沙支部，现决定即日租定房子成立筹备机关（秘密的），多邀信仰三民主义及有活动能力的人入党，然后开成立会推出候补支部长，呈请本部委任。”“在沪时请本部委我以筹备员名义（夏希为筹备主任），以便与各方面接头，请早日寄到为荷！”在他的指导下，10月初，国民党长沙支部成立。次年4月，组织了湖南临时省党部，1923年10月，正式建立了国民党湖南省党部。
2、参加国民党“一大”
1923年冬，毛泽东从湖南到广州后，即参与中国国民党第一次代表大会的筹备工作。
中国国民党第一次全国代表大会会址。在共产国际和中国共产党的帮助下，孙中山于1924年1月20至30日在广东高等师范学院的塔楼礼堂内主持召开了国民党“一大”，确立了联俄、联共、扶助农工的政策。毛泽东以湖南地方组织代表的身份出席了这次大会，他在会上的席位是39号。会议期间，他有多次发言。20日下午，讨论组织国民政府之必要性时，毛泽东作说明：“此案为《组织国民政府之必要》，还不是说明怎样组织政府又何时组织政府。怎样组织政府及何时组织政府，是待议问题。因此，表决也仅限于《组织国民政府之必要》。”大会同意毛泽东等人的意见，顺利通过了这一决议案。
22日上午，毛泽东等19人由大会主席指定为《中国国民党章程草案》审查委员会委员。28日在讨论国民党章程时，国民党广州特别区代表方瑞麟攻击共产党，提出党中不能有党，要求将国民党党员不能加入其他政党的条文写进章程。李大钊在大会上阐述了共产党对国共合作的主张，驳斥方的谬论，国民党左派廖仲恺等人亦反对方的主张。毛泽东抓住赞成国共合作，呼声高涨的有利时机，适时地提议停止讨论，“请付表决”。结果，大会否决了方瑞麟的提案。
25日上午讨论《出版及宣传问题案》，毛泽东就审查结果作了说明，并“请主席以审查结果全文付表决”，“众谓无异议”。
29日上午，大会讨论《本党设立研究会》议案时，有人提出，凡关于本党策略和对于国内外各种重要问题做出决定之前，应聘定有关专门学识者组织研究部进行研究；已确定应研究的问题，未经研究部研究就不得执行，已经研究之问题其行与否由执行部决定。毛泽东表示：“本席反对本案，因本案根本意思把实行与研究分开，但本党为革命党不能如此。本席意思，本案精神可以成立，条文则不能成立。”在毛泽东等的反对下，大会决定此提案“应交中央委员会酌情办理”。
大会在国共合作问题上，始终充满斗争。关于是否同意“请取比例选举制作为大会政纲一”的议案即是最激烈的一例。所谓比例选举制，亦称“比例代表制”或“哈尔投票法”，即根据各政党在选区所得选票，按其总数中的比例来分配各政党议员席位名额的制度，它是资本主义国家选举制之一。1899年比利时首先采用，以后通行于资本主义各国。德国社会民主党、法国社会党处在非执政党地位时，也曾赞成这制度，以求在议会获得几个席位。提案人在大会上说：“比例选举制，可以打破现在选举的流弊，因为现代选举制总是以多数压服少数，而比例选举制则各能如其势力以发展毫无冲突之处。”
毛泽东立即反驳：“现时比例选举制系少数党所运动出来的结果。本党为革命党，凡利于革命的可采用，有害于革命的即应摈弃。比例制有害于革命党，因少数人当选即有力量可以破坏革命事业，是予少数派以机会也。本席根本反对本案，以为不能讨论，不能表决。”在辩论中他还说：“比例选举制虽为社会党所赞成，但当其未成功时固是如此，若成功后即不尽然。此制很有害于革命之本身，盖以自由给与反对党，革命事业便十分危险。”由于毛泽东等的坚决反对，这一提案未能被大会通过。毛泽东“根本反对”此案，当然是从中国当时各派力量的对比和对革命是否有利出发的。
毛泽东在会上的表现受到孙中山和一些国民党人士的赏识和注意。因此在30日上午，大会选举中央执行委员、候补执行委员和监察委员时，毛泽东则由孙中山亲手书列于名单之上，被当选为中央候补执行委员。
31日，毛泽东以国民党中央候补执行委员身份，参加了孙中山主持召开的中央执行委员会首次全会。会议决定中央执行委员会设广州，“其余特别区，如上海、汉口、哈尔滨、四川，皆派遣中央执行委员到各该地执行部，指挥监督各该地党务之进行”。毛泽东被派往上海执行部工作。
3、担任中央局秘书
国民党“一大”后，毛泽东于1924年2月中旬从广州到上海，同蔡和森、向警予、罗章龙等，住在闸北香山路三曾里中共中央机关内，以主要精力从事中共中央局秘书工作。5月10日至15日，中共中央执行委员会扩大会议在上海召开，毛泽东参加了会议。
1924年5月，国民党上海执行部部分成员在孙中山寓所合影。后排左二为毛泽东。会议肯定了国共合作5个月以来的成绩，同时指出中共三届二次执委会对国民党右派“取敬而远之的态度”和“一切工作归国民党”的方针有右倾偏向，会议通过了《共产党在国民党内的工作》等决议案。纠正了我们党只注重国民党的组织工作，忽视宣传工作，忽视共产党组织的独立性的错误；强调共产党要在国民革命运动的根本问题上指责国民党右派政策的错误，要对国民党不断加强反帝反封建的宣传，使之赞助工农运动；要介绍革命分子加入国民党，增强左派的势力；要注意把国民党与共产党的组织分开，共产党是独立的秘密的组织，共产党的主要负责人不兼任国民党组织的主要领导。
会议强调以国民党“一大”宣言中的革命政纲为标准区分国民党左右派。会议提出共产党要加强自身的教育、组织工作。会议指出产业工人是共产党的阶级基础，要在产业工人中大力发展共产党的组织，建立和扩大工会组织，发展劳动运动，坚持党对工人运动的绝对领导权，防止国民党右派插手工人运动。这次会议正式决定中共中央分设宣传、组织、工农、妇女部，毛泽东任中共中央组织部长。
会后，毛泽东为贯彻这次会议精神，起草了一系列文件。毛泽东担任中央局秘书期间，由他起草或与陈独秀联合签署的文件至今找到的有：《中共中央通告》第13号（1924年4月19日）、第14号（5月19日）、第15号（7月21日）、第17号（9月10日）、第21号（11月1日）。以党中央代号“钟英”签署发的有《为召开第四次全国代表大会准备意见给各地的通知》（8月31日）、《中共中央关于召开第四次全国大会的通知》（9月15日）、《各地委分配及推销中央机关报办法》（9月25日）等文件。
中共中央通告第13号是《关于“五一”、“五四”、“五五”、“五七”之纪念与宣传》。《通告》指出，今年的“五一”由于中国工人阶级正在严重的压迫之下，除广州外，不可能有大规模的示威运动，但应在可能的范围之内，召集工人讲演会，讲演“五一”的历史及中国国民革命与集会结社之自由的关系。“五四”纪念则“须发挥五四运动两个重要的意义：（一）恢复国权运动；（二）新文化运动”。“五五”纪念应集合Ｃ·Ｐ及39同志开一纪念会。“五七”纪念日，务努力联合工商学生做大规模的示威运动。口号是：不但否认“二十一条”及收回旅大，并要按照中俄协定，取消各国的租界、租借地、兵营、领事裁判权、庚子赔款，及废除不平等条约改订平等的条约。