Từ ngày theo học trường này, ông chính thức mang tên là Đàm Quang Trung. Sau khi tốt nghiệp về nước, ông tích cực tham gia vào việc tổ chức Đội Việt Nam tuyên truyền Giải phóng quân, trở thành một trong số 34 cán bộ chiến sĩ đầu tiên đội quân do Bác Hồ thành lập, lãnh đạo. Ngày 22-12-1944, Đàm Quang Trung cùng anh em trong đội tuyên thệ dưới lá cờ trong khu rừng Nguyên Bình: Suốt đời vì nhân dân phục vụ, vì Tổ quốc hy sinh, đánh trăm trận trăm thắng.
Sau tháng 12-1944, ông được tổ chức phân công phụ trách đội vệ binh chiến khu Tân Trào. Trong khí thế trào dâng cách mạng, Quân đội nhân dân Việt Nam không ngừng lớn mạnh và trưởng thành, ông được cử giữ chức vụ Đại đoàn trưởng Đại đoàn 312, được phong lần lượt quân hàm thiếu tướng, trung tướng rồi thượng tướng Quân đội nhân dân Việt Nam. Là đại biểu Quốc hội nhiều khoá, uỷ viên Ban chấp hành Trung ương Đảng, Bí thư Ban Chấp hành Trung ương Đảng.
Khi Bác Hồ từ nước ngoài trở về nước hoạt động, anh trai Đàm Quang Trung là Đàm Minh Viễn, người được giao bảo vệ Bác, kể chuyện là Đàm Quang Trung rất khao khát được gặp Bác Hồ. Một hôm, anh Viễn bảo ông:
Anh đã thưa với Bác về chú. Được biết chú có nhiều cố gắng, Bác rất hài lòng. Rất có thể chú sẽ được gặp Bác.
Và niềm vui đã đến. Mùa thu năm 1941, Đàm Quang Trung được Bác gọi đến gặp Người. Ông đi cùng với bốn anh em ở bản Nà Nghiềng là Chu Ái Nam, Chu Đốc, Phạm Văn Quý, Đàm Quốc Chủng đến gặp Bác tại nơi ở của Người trong một lán tranh bên suối. Gặp Bác, mấy anh em không nói nên lời. Người chỉ tay vào chiếc ghế và bảo:
- Các chú ngồi xuống đi. Bác cháu ta nói chuyện.
Bác hỏi thăm tình hình sức khỏe, công việc của từng người. Khi ông báo cáo với Bác mình là Đàm Ngọc Lưu, Bác bảo:
- Chú đấy hả, đã bị mật thám bắt giam rồi phải không?
- Thưa Bác, vâng ạ. Cháu bị chúng bắt giam 8 tháng...
- Đã làm cách mạng thì phải chấp nhận tất cả và không được nản chí. Bác mời các chú đến đây để thảo luận về nhiệm vụ cách mạng. Bác sẽ giao nhiệm vụ cho các chú. Các chú có vui không?
- Thưa Bác, chúng cháu chỉ mong được làm cách mạng.
Bác giao nhiệm vụ cho Đàm Quang Trung và các anh em bản Nà Nghiềng có mặt hôm đó:
- Bác thay mặt Trung ương cử các chú đi học. Học xong các chú trở về lãnh trách nhiệm nặng nề hơn. Học những gì rồi các chú sẽ rõ. Bác đã giao nhiệm vụ ấy cho các đồng chí phụ trách rồi.
Đó là lần được gặp Bác đầu tiên trong cuộc đời của ông. Cùng đi học với ông lần đó còn có các anh Hoàng Văn Thái, Vũ Lập, Hoàng Minh Thảo, Nam Long... sau này đều trở thành các vị tướng tài giỏi của quân đội ta. Ông còn nhớ mãi lời Người căn dặn trước khi lên đường sang Trung Quốc học ở Trường quân sự Hoàng Phố.
- Muốn đánh đuổi được thực dân Pháp, phát xít Nhật ra khỏi đất nước, giành độc lập thì mình phải có quân đội. Có quân đội rồi còn phải có vũ khí, lương thực. Phải có những người cầm quân giỏi. Các chú đi học lần này là học quân sự, để trở thành những người cầm quân giỏi, những chỉ huy của quân đội.
Sau này, mỗi khi nhớ lại, ông càng hiểu thấu tầm nhìn chiến lược của Bác đã sớm nghĩ đào tạo các tướng lĩnh cho quân đội, ngay trong hoàn cảnh hoạt động bí mật.
Nhưng khi sang Trung Quốc, Đàm Quang Trung không được học quân sự. Anh phụ trách giao cho ông học in li-tô. Ông tỏ vẻ rất buồn. Nhân có anh Phạm Văn Đồng sang, ông mạnh dạn đề đạt nguyện vọng học quân sự và xin anh Đồng báo cáo với Bác. Người đồng ý cho ông sang học quân sự và còn dặn thêm:
- Chú Quang Trung phải học tập sử dụng thành thạo tất cả loại vũ khí hiện có của các nước trong phe Đồng minh, của cả đốì phương nữa. Sẽ đến lúc mình phải sử dụng tới.
Năm 1944-1945, Đàm Quang Trung là chỉ huy đội vệ binh làm nhiệm vụ bảo vệ Trung ương và Bác Hồ. Có đêm, thấy Bác làm việc khuya mà cơn sốt vẫn chưa dứt, ông bước vào lán của Người và nói:
- Thưa Bác, đã khuya rồi Bác lại đang sốt, xin Bác đi nghỉ.
Bác nhìn ông âu yếm bảo:
- Đến phiên chú gác à? Bác sợ sốt mà nằm là nó lấn tới. Phải hoạt động, làm việc, vã được mồ hôi sẽ nhẹ người, rất tốt.
Tháng 7 năm 1944, ông được giao nhiệm vụ chăm sóc những phi công Mỹ nhảy dù xuống căn cứ của ta bị ta bắt được. Bác căn dặn:
- Ta tuy còn thiếu thốn, nhưng các chú cố gắng cho họ (tức phi công Mỹ) ăn uống tương đối, cư xử tử tế, nhân đạo, để họ hiểu ta.
Nhóm nhân viên tình báo quân sự Mỹ gồm 5 người nhảy dù xuống Việt Bắc đều được Bác Hồ tiếp và giao nhiệm vụ. Đàm Quang Trung được chỉ định làm Đại đội trưởng đại đội Việt - Mỹ. Ông thưa với Bác nếu thiếu tá Thô-mát làm tham mưu trưởng thì đại đội trưởng gọi là cấp gì. Bác nghiêm nét mặt bảo:
- Chú phải lo hoàn thành nhiệm vụ cho tốt, dù tá hay tướng đã là một chiến sĩ cách mạng cũng đều phải lo phục vụ nhân dân cho thật tốt.
Lần đó, biết ông không có màn cá nhân, Bác đã lấy chiếc màn xanh và chiếc đồng hồ quả quýt đưa cho ông và bảo:
Bác tặng chú để dùng. Phải giữ gìn cho tốt. Có màn chống muỗi bảo vệ sức khỏe mới chỉ huy đại đội được. Còn cái đồng hồ để chú biết giờ giấc. Trong quân sự, kỷ luật phải nghiêm, hiệp đồng phải chặt chẽ đến từng giây mới có thể đánh thắng được. Bây giờ chú là đại đội trưởng, sau này các chú trở thành những chỉ huy cao hơn, vì vậy phải rèn luyện từ bây giờ.
Thượng tướng Đàm Quan Trung là một trong những vị tướng có vinh dự chỉ huy hai cuộc duyệt binh lịch sử: Ngày Tuyên ngôn độc lập 2-9-1945 tại Quảng trường Ba Đình và ngày 1-1-1955 trong buổi lễ mít tinh lớn đón mừng Trung ương và Bác Hồ trở về Thủ đô Hà Nội sau 9 năm kháng chiến trường kỳ chống Pháp thắng lợi. Khi làm Đại đoàn trưởng Đại đoàn 312, ông được hai lần thay mặt cán bộ chiến sĩ Đại đoàn đón tiếp Bác Hồ đến thăm Đại đoàn. Tháng 10-1957, ông được cử làm trưởng đoàn học sinh trường quân sự Frun-de (ở Thủ đô Mát-xcơ-va) tham gia Đoàn Chủ tịch cuộc mít tinh trọng thể chào mừng Chủ tịch Hồ Chí Minh sang dự lễ 40 năm Cách mạng XHCN Tháng Mười vĩ đại.
Vào dịp Tết năm 1961, thay mặt quân và dân Việt Bắc, Thượng tướng Đàm Quang Trung được vinh dự đón Bác Hồ trở lại hang Pác Bó nơi Người sống và làm việc hai mươi năm về trước. Về thăm hang núi lần này, Bác Hồ cảm tác đọc bốn câu thơ:
Hai mươi năm trước ở hang này
Đảng vạch con đường đánh Nhật, Tây.
Lãnh đạo toàn dân ta chiến đấu,
Giang sơn gấm vóc có ngày nay.
Kim Dung, Chí Thắng, Hải Anh