早年经历
1910年（清·宣统二年）11月26日，陈伯钧生于四川省达县（今达川）河市坝村一个农民家庭。
1916年（民国五年），陈伯钧入本村小学读书。
1923年（民国十二年），陈伯钧考入万县省立第四师范学校，曾因参加进步学生运动被开除学籍。
大革命时期
1927年（民国十六年）1月，陈伯钧入武汉中央军事政治学校（黄埔军校第六期）第1大队。5月，参加平定夏斗寅叛乱的战斗，因作战勇敢在咸宁前线加入中国共产党。后被编入国民革命军第二方面军总指挥部教导团。
土地革命时期
1927年（民国十六年）8月，陈伯钧随队准备经九江前往南昌参加起义军，但在九江被张发奎缴械扣押。后脱逃继续赶赴南昌，途中得悉起义军已转移，便在高安加入第20军独立团，任团部副官、新兵训练处主任。9月，参加毛泽东领导的湘赣边界秋收起义，任工农革命军第1军第1师第3团3营6连1排排长。曾被毛泽东选派到袁文才率领的农民自卫军，做该部的改造和训练工作。到井冈山后，任工农革命军教导队副队长兼党支部书记、红4军第31团1营1连连长，参加了五斗江、草市坳、龙源口战斗和黄洋界保卫战。
1929年（民国十八年）1月，红4军主力向赣南出击后，陈伯钧奉命坚守井冈山革命根据地。在第三次反“会剿”作战中，陈伯钧因腿伤未能突围，在敌人搜山时被捕。5月，陈伯钧被营救出狱，任红4军驻吉安办事处代表、红6军第1纵队参谋长。
1930年（民国十九年）2月，陈伯钧参加水南战斗，在追击逃敌时腿部再次负伤。同年7月，起任红20军参谋长、红3军第7师师长、红15军军长等职，参加中央苏区第一、二、三次反“围剿”和漳州、南雄水口、乐安宜黄等战役。
1932年（民国二十一年）10月，陈伯钧因支持毛泽东的主张，被执行“左”倾路线的中央领导人免去军长职务，调到瑞金红军学校学习。
1933年（民国二十二年）1月，陈伯钧起任红5军团参谋长、第13师师长，参加中央苏区第四、第五次反“围剿”。同年8月，获二等红星奖章。重视总结经验教训，反对“左”倾教条主义，曾写作《论运动防御》等文章，强调运动战的重要性。
1934年（民国二十三年）10月，陈伯钧率部从兴国出发参加长征，负责掩护中央纵队行动。12月，调任红5军团参谋长，协助军团长董振堂指挥所部执行后卫任务，多次打退国民党军追击，被誉为“铁屁股”。
1935年（民国二十四年）7月，陈伯钧与红四方面军会合后，调任红四方面军第9军参谋长。9月，因反对张国焘的分裂活动而被免职，改任红军大学主任教员。
1936年（民国二十五年）2月，张国焘的错误被纠正后，陈伯钧任红4军参谋长。期间，曾编写《步哨动作》、《侦察勤务》等教材。7月，调任红二方面军第6军团（亦称第6军）军团长。10月，率部到达陕北苏区，与红一方面军会师。
抗日战争时期
抗日战争爆发初期，陈伯钧任八路军第120师第359旅旅长，后到中共中央党校学习。
1938年（民国二十七年）6月，陈伯钧调任抗日军政大学训练部部长。12月，任抗大第2分校校长，组织干部、学员前往河北陈庄、神南地区办学。
1939年（民国二十八年）9月，陈伯钧率抗大学员参加陈庄战斗。
1940年（民国二十九年）5月，陈伯钧回延安学习，参加毛泽东主持的哲学研究会和战争研究会，并撰写《八路军简史》、《参谋长工作讲授提纲》等。
1941年（民国三十年）11月起，陈伯钧任军事学院副教育长、陕甘宁边区保安司令部副司令员、第385旅副旅长兼陇东军分区副司令员，领导部队进行反“摩擦”斗争，开展大生产运动。
1945年（民国三十四年）8月，陈伯钧任陕甘宁晋绥联防军副参谋长。
解放战争时期
1945年（民国三十四年）10月，陈伯钧率800名干部及战士、家属共1300余人赴东北，途中奉命驻留冀热辽军区，参加热河保卫战。
1946年（民国三十五年）1月，陈伯钧任北平军事调处执行部热河执行小组中共方面代表。7月，转赴东北，先后任东北军政大学教育长、合江军区司令员、东北野战军上级干部大队大队长。
1948年（民国三十七年）5月，陈伯钧任东北野战军第1前方指挥所（8月改称第1兵团）副司令员，协助司令员萧劲光指挥部队围困长春、攻打沈阳、进军关内、威逼平津。
1949年（民国三十八年）4月，陈伯钧任第四野战军第12兵团第一副司令员兼第45军军长，率部参加衡宝、广西等战役。
建国之后
1950年2月，陈伯钧兼任湖南军区第一副司令员，率部清剿湘西国民党残余武装和土匪。同年12月起，先后任中国人民解放军军事学院训练部副部长、副教育长兼军事学术研究部部长、教育长、副院长、代院长，协助院长刘伯承主持全院工作。
1957年9月，陈伯钧任高等军事学院副院长。
1962年9月，陈伯钧任高等军事学院院长。是第一至第三届国防委员会委员。
1974年2月6日，陈伯钧在北京病逝，终年64岁。
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