到达川陕边区后，红四方面军重建根据地，张琴秋任方面军总政治部主任。她反对过张国焘的错误，遭受打击报复，被调任总医院政治部主任。1933年3月，红四方面军妇女独立团成立时，负责调配营连两级干部，指导筹建工作，妇女独立团组建后不久，接任独立团团长兼政委。1935年初，妇女独立团扩建为妇女独立师，由她任师长。长征途中，张琴秋改任川陕省委妇女部长。

1936年7月，在红四方面军第三次过草地之前，张琴秋与红四方面军总政委陈昌浩结婚。1936年10月，红四方面军一部两万余人组成西路军，进入甘肃河西走廊。已怀孕的张琴秋作为西路军组织部长，担负着繁重的干部调配工作。不久，担任西路军军政委员会主席的陈昌浩要西路军政治部主任李卓然把张琴秋送到西路军总医院去，以使她安全分娩。

由于敌众我寡，西路军虽英勇杀敌，但仍难以摆脱失败的命运。1937年3月14日，陈昌浩在甘肃石窝山南麓主持召开了西路军军政委员会的最后一次会议，包括张琴秋在内的二十多位师团级干部参加。陈昌浩宣布：军政会决定主席陈昌浩和副主席徐向前两位首长离开部队，突围回陕北延安，向党中央汇报，由李先念、李卓然等负责指挥西路军余部突围。当晚，陈昌浩和徐向前悄然离开了部队。临别时，鉴于西路军失败，陈昌浩心情十分沉重，他没有与张琴秋说什么话。

张琴秋在分散突围中被俘，张琴秋在战友的掩护下，暂时躲过了劫难，被押送到西宁羊毛厂做苦工。但不久，因叛徒告密，张琴秋的身份暴露了。当“马家军”知道她原来就是早已闻名的红军女将领张琴秋时，立即把她和其他两位女战士押送南京邀赏。