1933年春，任三十六团三营政委，不久升任团政委。“肃反”扩大化中被逮捕，开除党籍，在总指挥徐向前的干预下获释。在反击川军田颂尧的战斗中，他率两个连扼守阵地，抗击敌5个团的轮番攻击，激战三昼夜，歼敌1500余人。因立此战功，得以恢复党籍，复任团政委。同年7月，调任红九军教导队政委，旋又升任二十五师政委。在著名的万源保卫战中，他率部抗击刘湘主力，坚守大面山阵地4个多月，为最后粉碎国民党“六路围剿”作出重大贡献；所率七十三团、七十五团分别荣获总指挥部授予的“攻如猛虎、守如泰山”的奖旗。 1934年底，任红九军政委，与中央红军会师后，转战数千里，身经百战，曾多次为战役全面创造出重大转机。

    1936年10月，红三十军、九军、五军相继渡过黄河后，组成西路军，陈任西路军军政委员会委员。11月中旬，率军进占古浪，突遭马家军包围，孤军血战三天，古浪几得几失，虽歼敌2000余人，自身亦伤亡过半。古浪失利，陈被撤职。十天后，徐向前总指挥说：“陈海松是九军的核心领导，九军不能少他。”于是，他又复职回到九军。

    1937年3月，西路军总部和三十军进驻梨园堡，九军担任后卫刚到梨园山口时，敌骑兵分两路追来；陈当即令部队抢占山口南侧的高地，堵击追兵，让总部和三十军安全转移；完成阻击任务后，他亲率警卫排冲上前沿阵地，拼死阻击敌人，掩护九军撤退，不幸壮烈牺牲。牺牲时年仅23岁，是当时红军中最年轻的军政委。