1933年10月至1935年2月兼任红九军团第三师师长。

1934年1月当选为中华苏维埃共和国中央执委会委员。参加中央苏区第四、第五次反“围剿”斗争和中央红军长征。

1935年3月至同年夏任中央军委纵队第一梯队政治委员，6月至8月任中央军委纵队政治委员，9月至11月任红军陕甘支队第三纵队副政治委员、政治部主任。1935年9月至1936年任中共中央编制委员会成员。到达陕北后，1935年11月起任中华苏维埃人民共和国临时中央政府西北办事处司法内务部部长（至1937年5月）。

1936年4月、同年秋至1937年任红三十军政治委员、陕甘宁边区第二作战区政治委员。全国抗日战争爆发后，1938年6月至1940年6月任八路军第一二九师政治部副主任。

1940年6月至1943年10月任八路军第一二九师政治部主任兼太行军区政治部主任。

1942年9月起任中共中央太行分局委员。

1943年入延安中共中央党校学习。

1944年12月至1945年8月兼任太行军区政治部主任。

1945年4月至6月作为晋冀鲁豫代表团成员出席中共七大。同年9月至1948年5月任晋察冀军区政治部副主任。

1945年9月至11月任中共张家口市委委员。

1946年2月任晋察冀区行政委员会复员委员会主任委员。

1948年5月至1949年任华北军区政治部副主任。中华人民共和国成立后，

1949年11月至1954年12月任中共中央西南局委员、西南局职工工作委员会书记（1949年12月起）。

1950年6月至1953年3月任西南军政委员会委员、劳动部部长。1950年7月起任中华全国总工会西南办事处主任。

1953年1月至1954年1月任西南行政委员会委员。

1953年5月至1957年12月任全国总工会执行委员、主席团委员。

1954年11月至1958年10月任国家体育运动委员会副主任，1955年1月至1958年10月任中共党组副书记。

1955年12月起任中央国防体育俱乐部主任。中共第八届中央候补委员。

1958年10月17日出国访问途中,因飞机失事在苏联卡纳什遇难，终年53岁。

1922年参加工人运动，任安源路矿工人俱乐部代表。1923年加入中国社会主义青年团。1925年转入中国共产党。1927年赴苏联莫斯科，先后入东方大学、劳动大学和列宁学院学习。1931年后任中国工农红军第二十二军、第九军团，第三十军政委，陕北苏维埃政府内务部部长，八路军一二九师政治部主任，中共中央太行局常委，晋察冀军区、华北军区政治部副主任。

建国后，蔡树藩从军队转入地方工作，历任全国总工会执委、西南办事处主任，中共西南军政委员会劳动部部长，中共中央西南局委员，1954年调任国家体育运动委员会副主任兼党组副书记。同年，当选为全国人民代表大会代表。1956年当选为中共八大代表并被选为候补中央委员。1958年因空难逝世，终年53岁。

1927年赴苏联留学，先后在东方大学、劳动大学和列宁学院就读。1928年出席在莫斯科举行的中共六大。回国后于1954年任国家体委副主任，曾协助贺龙主任主持体委常委工作，积极开展群众体育活动，热情支持贺龙同志倡导的体育运动，并在国家体委中积极工作，为新中国建国初期体育事业的发展作出了重大贡献。1956年在中共第八次全国代表大会上当选为候补中央委员。1958年10月17日与郑振铎一起出访时因空难在苏联境内丧生，享年仅53岁。

1927年7月汪精卫在武汉发动反革命政变时，他被捕入狱，由党组织营救获释后，于同年8月派往苏联莫斯科，入东方共产主义劳动大学学习。后又挑选到列宁学院深造。1928年6月，他当选为中共六大代表，在莫斯科出席了六大会议。1929年，他当选为中国工人代表团成员，在莫斯科出席了第五次国际工人代表大会。

1930年，他奉命回国，到上海全国工会总部工作。随即调往中央苏区全总执行部工作。

1931年冬，蔡树藩任红二十二军政治委员，协同罗炳辉指挥了著名的广昌战役。在粉碎第二次反革命“围剿”中，他冒着枪林弹雨、身先士卒，负伤9处。在第三次反“围剿”战斗中，负伤失去左臂，因战功卓著，被红军称为独臂将军。1933年底，红二十二军扩编为红九军团，他任军团政委，兼该军团第三师政委。

1931年4月，蔡树藩在广昌参与指挥了第二次反“围剿”作战。战斗中，他冲锋在前，身上已八处负伤，仍坚持不下火线。这时，敌人的子弹又向他射来。警卫员眼疾手快，一个箭步扑上去将他推倒，顺势扑在他身上，才躲过了子弹。可蔡树藩和警卫员刚爬起，敌人的子弹又从阵地侧翼扫射过来，击中蔡树藩的左腿。顿时，他眼前模糊，差一点摔倒在地。警卫员见他伤势很重，脸色煞白，虚汗顺着脸颊往下淌，要背他下去。蔡树藩不肯离开阵地，他说：“战斗正进行到紧张关头，部队就要发起冲锋，一名指挥员在这时离开战斗岗位，势必会影响部队情绪。”说罢，他顺手撕破衬衣，在警卫员的帮助下，迅速包扎了一下伤口，又一瘸一拐地继续指挥战斗，直到战斗胜利结束，才被抬到红军医院医治。

同年6月，红军进行整编，军缩编为师，蔡树藩任红一军团第1师政治委员。7月，蒋介石亲自担任“围剿”总司令，又向中央苏区发动了第三次“围剿”。

在红军医院养伤的蔡树藩闻知后，按捺不住激动的心情，跑去找院长，软磨硬缠，要求出院。院长拗不过他，只好勉强答应了他的要求。

一天，部队刚到达目的地，蔡树藩便带着作战参谋王继成和警卫员张小富到前沿阵地实地观察。三人不断地向敌军阵地靠近，张小富提醒他：“政委，不能再走啦，危险！”但为了查明敌人的兵力、火力部署，使部队进攻时减少伤亡。蔡树藩依旧一面朝前走一面观察。蔡树藩又朝前走了几步，选了一棵歪脖子树，靠在上面，侧着身子，用左手举着望远镜观察。突然，一声枪响，不及躲闪，左臂被敌人的冷枪击中了。这是蔡树藩第十次负伤，这次负伤使他永远地失去了左臂，从此成为一位“独臂将军”。当时部队正在行动，没有医术很高的医生跟随，加上药品奇缺，天气炎热，几天后伤口感染化脓，被送到后方医院治疗。

军情紧急，战报频传。蔡树藩不愿意久留医院治疗，几天后便一次次要求尽早出院，重返前线。但由于伤势过重，难以愈合，他急得吃不下饭，睡不着觉。一天，蔡树藩从战地小报上得知红军在与白军交战中伤亡较大，心情十分沉重。经过反复考虑，他下决心锯掉伤臂。医院领导和医生们都对蔡树藩的请求感到惊讶。战事频繁，缺医少药，弄不好伤口会恶化感染，危及生命。面对大家的好心劝说，蔡树藩断然地说：“治不好了，还不如及早截肢，早痊愈，早上前线！”

截肢手术是在条件十分简陋的情况下进行的，没有麻药，没有手术刀，连手术台也是临时搭成的，一把普通的锯子还是锯木头用的。由于锯子太钝了，拉锯就换了三位医生，手术时间长达两个多小时，蔡树藩完全昏迷了过去。护士见状，忍不住失声痛哭。蔡树藩的坚强意志，让医护人员肃然起敬。

截肢手术后，蔡树藩的身体逐渐得以恢复，又投入到新的战斗中去。

1934年12月湘江之战，是一场攸关红军生死存亡的关键一战。罗炳辉和蔡树藩率红九军团断后，他们冒着敌人的枪林弹雨率红九军团全体官兵与敌人血战到底，终突破敌人重围，为掩护中央红军渡过湘江立下汗马功劳。

长征途中，蔡树藩又得了十二指肠溃疡病。他忍着病痛，在包座指挥红军歼灭胡宗南一个师。到达陕北后，他担任陕北工农民主政府内务部部长。

1934年10月，他率红九军团长征。1935年1月遵义会议召开，调任中央军委纵队政治委员。9月，张国焘拒绝北上，中央军委决定将一、三军团及军委纵队改编为北上抗日先遣队，他任先遣队第三纵队政委，继续北上。在毛儿盖会议上，他坚决拥护党中央对红军的绝对领导，严厉谴责张国焘分裂红军的野心，随即调任红四方面军三十军政委。胜利到达陕北后，任陕北工农民主政府内务部长。

1937年10月19日，蔡树藩协同129师769团团长陈锡联率部冒雨袭击崞县阳明堡日军飞机场，歼守敌一个大队（营），焚毁敌机24架。同年11月，129师师长刘伯承率部向晋东南挺进，创建太行、太岳根据地，组建中央太行中央局，任命蔡树藩为局常委。1945年，蔡树藩被选为中共七大代表。在抗日战争和解放战争中，蔡树藩跟随邓小平、刘伯承、聂荣臻参与了许多重大战役，均被载入解放军战史。

1958年10月17日，由郑振铎任团长、蔡树藩任副团长的中国代表团，赴阿富汗和阿拉伯联合国酋长进行友好访问，途经苏联卡拉什地区上空时，因飞机失事遇难。后被追认为烈士，终年53岁。蔡甸区现建有树藩体育馆，以示对他的怀念。