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Dopo il 25 luglio 1943 viene liberato e, successivamente all'armistizio annunciato l'8 settembre 1943, entra a far parte del Comando generale delle Brigate Garibaldi, le formazioni partigiane di orientamento comunista, con Pietro Secchia, Gian Carlo Pajetta, Giorgio Amendola e Antonio Carini [4]. Diventa poi vicecomandante del Corpo volontari della libertà e stretto collaboratore di Ferruccio Parri (basandosi su questa esperienza, nel 1947 pubblicherà il libro Un popolo alla macchia). Sul piano politico, contrapponendosi a Mauro Scoccimarro, si schiera per un'unità operativa ampia, ma ribadisce la necessità di un governo popolare, diretta emanazione dei CLN, che succeda allo screditato governo Badoglio: nello stesso tempo, attraverso il giornale La nostra lotta, porta avanti la riorganizzazione dei quadri comunisti. Nell'aprile del 1945 è tra i protagonisti dell'insurrezione dell'Italia settentrionale: secondo il partigiano Urbano Lazzaro detto Bill sarebbe stato proprio Luigi Longo, celandosi sotto la falsa identità di Valerio (Walter Audisio), a dare il colpo di grazia a Benito Mussolini dopo la sua fucilazione, ma su quell'episodio, mai chiarito del tutto, esistono versioni contrastanti. Al V Congresso del PCI (dicembre 1945), tiene una relazione sulla prospettiva del 'partito unico della classe operaia' e subito dopo è eletto alla carica di vicesegretario. Dopo la guerra fa parte della Consulta nazionale e nel 1946 dell'Assemblea Costituente; viene poi eletto alla Camera dei deputati nelle liste del PCI e successivamente viene sempre rieletto. Nel 1964, in seguito alla morte di Palmiro Togliatti, diventa segretario del PCI, dichiarando di essere "un segretario e non un capo".