刘天佑参加红军后，一开始从事宣传工作，不久就到了妇女独立团担任军事教员。1935年8月跟随部队开始长征，长征很艰苦，不但天天行军，而且还经常面对国民党军队的围追堵截。刘天佑同其他女兵一样，挺过了一个又一个难关。在过草地之前，她担任的都是军事教员，从没拿过枪。
她们第二次过草地后不久，就与红一、二方面军在会宁会师，此后她转做医护工作，跟随红四方面军妇女独立团渡过黄河，在河西走廊一带与马家军展开了激战。一路上仗打得很惨，有一次妇女独立团在一个山头打阻击战，马家军一次次的突击虽然被打了回去，但妇女独立团也伤亡惨重，从事医护工作的刘天佑看到战友一个个倒下去，从没摸过枪的她捡起倒下战士的枪冲上阵地。
刘天佑以前从没拿过枪，只知道拉枪栓，扣扳机。在那危急时刻，刘天佑根本来不及多想，只知道守住阵地，一看到敌人就疯狂地射击，最后，竟然把敌人打跑了。此后她又经历了很多战斗，幸运的是刘天佑从来没有被子弹或弹片直接击中，只是身上经常被乱飞的弹片划伤。妇女独立团伤亡严重，刘天佑也在一次战斗中成了马家军的俘虏，与一批红军战士一起被关押在一个营地里。
马家军对待红军战士非常残忍。这其间，红军战士经常被马家军拳打脚踢，过着猪狗不如的生活。她还亲眼看到很多红军战士被活埋，马家军挖了一个又大又深的坑，把一批红军战士粗鲁地推下去，盖上几层土后，再推下一批红军战士，再埋。幸运的是，刘天佑的个子比较小，他们以为她还是个孩子，看她怪可怜的，就没有活埋她，留着她在军营里做事。
几个月后，敌人渐渐信任刘天佑了，觉得刘天佑不会跑了，就放松了对她的看管。这时正是好时机，刘天佑总是找借口在马家军营地周围转悠，寻找逃跑路线和时机。有一次，她正转悠的时候被发现了，看守的人骂了她一顿，并警告她以后再乱跑就打死她。刘天佑表面上很听话，实际上还像以前一样继续转悠。就这样越转越远，最后终于跑出了营地。
跑出营地不久，她就遇到了营救西路军的红军人员，她觉得像见了亲人一般，向他们讲明了自己的情况后，她就被收留送到延安，在部队医院当了一名护士。