1926年初，刘之至军校毕业，被分配到国民革命军第四军独立团（即叶挺独立团）步兵营任排长。这年５月２０日，叶挺独立团作为北伐前锋部队进入湖南。８月，刘之至在攻占通往武汉的要冲汀泗桥、贺胜桥的战斗中，屡立战功，被晋升为连长。北伐军攻克武汉三镇之后，刘之至先后任汉川县公安局长、汉口市保安大队长、国民革命军第四军教导团第三营营长等职。在收回英租界时，他指挥军民，极尽心力。

1927年四一二、七一五政变，宁汉合流，蒋介石、汪精卫叛变革命。刘之至痛心疾首，义愤填膺，毅然决然跟随叶挺、贺龙部队前往南昌，参加了八一南昌起义，被编入国民革命军第二方面军第三军军官教育团。

南昌起义部队撤出南昌，挥师南下，进军到广东潮汕地区时，遭到优势敌人的围攻，造成了起义军主力失败。刘之至在朱德、陈毅等率领下，经过闽、赣、粤边境，转入湘南坚持斗争。

1928年1月，刘之至随朱德、陈毅进入湘南地区以后，在中共湘南特委和朱德、陈毅的领导下，在湖南省宜章县共产党组织的帮助下，举行了年关起义，即历史上的湘南起义，智取了宜章县城，解除了敌团防的武装。接着，上级将南昌起义部队余部改编为工农革命军第一师，朱德任师长，陈毅为党代表，并从部队中派遣部分骨干协助湘南特委在宜章、郴县、永兴、耒阳、资兴等县农村，发动了农民暴动，建立各县、区、乡的工农政权，刘之至被派到郴县（今郴州）。起义的农军，相继发展为工农革命军第三师、第四师、第七师。刘之至在组织湘南起义过程中，充分显示出他的军事才华，被任命为工农革命军第七师参谋长（师长邓允庭，党代表蔡协民）。

1928年4月24日前后，第七师在朱德、陈毅率领下，转到井冈山宁冈砻市，同毛泽东领导的工农革命军第四军会师，编入工农革命军第四军，取消了原番号。此时，工农革命军第四军下辖第十、第十一、第十二师共三个师，第二十八、二十九、三十、三十一、三十二、三十三、三十四、三十五、三十六团共九个团。１９２８年５月，刘之至调任第十师三十团团长。

1928年6月23日，龙源口大捷，工农革命军第四军改为中国工农红军（简称“红军”）第四军，刘之至调任二十九团参谋长。

是时，井冈山革命根据地日益扩展，革命武装力量不断壮大，进入全盛时期。革命形势的发展，需要大批军事干部；另一个原因，当时部队里有些人有流寇思想。这些人有的是从旧军队过来的，有的是参加过暴动的农民，“山麻雀离不开屋檐下”，回家思想严重，对于建立革命根据地还缺乏充分的认识，需要从政治方面加强教育，改造从旧军队和小生产者带过来的不良习气，建立一支真正的无产阶级的革命军。有鉴于此，１９２８年８月，红四军军委决定在茨坪开办一个军官教导队（１９２８年５月组成，不久撤销）训练连排级以上干部，刘之至兼任红四军军官教导队教练官、湘赣边界党团训练班教练。

刘之至在兼任教练期间，言传身教，事事以身作则，处处起表率作用，严格要求，勤操苦练，使参加学习的学员很快地掌握一般军事知识。教导队学员在大小五井扼守哨口，他与学员一道，挖壕沟，运树木，削竹钉，修筑哨口的工事，做到教学一致，学用结合。他还经常组织学员讨论战略战术等问题，向学员响亮地提出了“每个学员争做‘张飞加诸葛亮式’的战士”的口号，教育学员学会以“盘旋式的大圈子”政策，想办法消灭敌人，多打胜仗……

1929年1月初，中共红四军前委在宁冈县柏路村召开联席会议，传达和讨论党的六大决议，着重研究了第三次反“会剿”的方针和部署主力向赣南闽西进军，决定由红四军第三十团和袁文才、王佐的第三十二团留守井冈山。

1929年1月中旬，留守井冈山部队改编为红五军第一、二纵队，彭德怀任军长，滕代远任党代表。为了加强对红五军的领导，前委从红四军里抽调一批骨干充实红五军，调刘之至到红五军任参谋长。调动前，红四军军委领导人毛泽东、朱德找刘之至谈话，征求意见，刘之至只是说：“我从入党那天起，就把生命交给了党。我是党的人，是革命的一块砖，哪里需要，就往哪里搬，一切听从党的安排。”

刘之至到红五军后，协助彭德怀留守井冈山，坚持斗争，首先与彭德怀、滕代远一道，做好战士们的思想工作，教育大家顾全大局，使部队很快地安定下来。

1929年1月28日，敌以１９个团的兵力，分三路向井冈山进逼，将井冈山铁桶式包围。我军只千余人，与敌激战七天之久。在激战中，刘之至协助彭德怀指挥部队集中力量作盘旋式游击，与群众同甘苦，同生死，渡过难关。他向军长彭德怀建议：敌人兵较少，我们就打；敌人兵较多，我们就避免。在敌强我弱的情况下，寡难敌众，最好采取自动引退的战略战术。军委根据当时的实际情况，采纳了刘之至的建议，于是决定红五军取道赣南，与红四军会合；原红四军王佐部，则埋伏在井冈山附近。

王佐部和群众转战深山老林，开展游击战争。彭德怀、滕代远率红五军从荆竹山附近突围，击退敌人追击、堵击，突出重围，经遂川入上犹、崇义、大余、信丰、南康、赣县等地追赶红四军，在异常艰苦情况下，沿途还打了不少胜仗。敌人所谓“三省会剿”，实际只是到井冈山游了一次，他们对我成千上万的赤色群众“莫可如何”，只好撤退，湘赣边界区域仍然在赤色群众的掌握中。

１９２９年３月，红五军转战赣南，与红四军会合于于都。５月，根据前委扩大会议决定，红五军率部回到井冈山，与中共湘赣边区特委领导边区军民恢复井冈山革命根据地。

红五军回到井冈山后，在泰和、安福、永新、莲花一带打游击，很快把井冈山革命根据地恢复起来了，县委等组织也都得到了恢复。这些组织恢复后，湘赣边特委与红五军召开联席会议，讨论夺取安福县城问题。会上，刘之至与彭德怀持反对意见。刘之至说：“即使夺取安福县城，也不容易巩固。如果攻而不克，反而增加了困难。”但绝大多数人同意夺取安福县城，刘之至只好服从。

7月的天气，时雨时晴。红五军第五纵队从永新出发，经过莲花和安福交界的迎宾桥，计划在迎宾桥宿营。不料，敌人的工兵营和“靖卫团”一部也到了迎宾桥，双方遭遇就打了起来。为了抢占迎宾桥后面的山头，红五军第五纵队的战士们勇猛顽强，抢先一步，激战三小时，把敌人打垮了，击毙敌营长一人，俘虏多人。这次遭遇战，我军胜了，但付出的代价太大，第六纵队司令员贺国中在这次战斗中牺牲了。全军将士化悲痛为力量，掩埋好贺国中烈士遗体后，乘胜追击敌人。

迎宾桥距离安福县城有３０多华里，我军一直把敌兵追到安福县城。敌兵逃进城以后，紧闭城门不出。当时，部队乘胜追击，本想把安福县城一举攻下，无奈安福县城城墙高大而又十分坚固，敌军死守不退。红军把煤油浇在棉絮上想烧开城门，扎云梯想爬上城去，结果还是攻打不下来。这时，大雨倾盆，护城河顿时灌满了水，对我军攻城极为不利，于是军长彭德怀决定沿来路撤退，全部开往宁冈。

我军在开往宁冈途中，不料莲花敌第七十团正向安福开来，在离迎宾桥几里路的地方遇上了，结果又打了一次遭遇战。这一仗打得更激烈，敌兵排山倒海，四面扑来，大有“黑云压城城欲摧”之势。红军指战员英勇奋击，重创敌军后，从南面突围而出。不幸的是，就在这次遭遇战中，刘之至阵亡。

刘之至牺牲后，由彭德怀亲自主祭，将烈士遗体安葬在杨溪坝。