張國燾在武漢宣布脫離共產黨，各報刊著實熱鬧了一陣之后，漸漸平靜下來。蔣介石對張國燾的投靠，開始也高興了一陣，他囑咐“國民政府軍事委員會調查統計局”(簡稱“軍統”)副局長戴笠照料一切。戴笠把張國燾安置在武昌的一座小洋樓里，并委托張國燾的同鄉、武昌警察局長蔡孟堅負責“保護”他。
大約在1937年五六月間，楊子烈和妹妹楊子玉帶著張海威從延安來到武漢，全家再次團聚了。
張國燾逃離陜北時，沒有告訴楊子烈。當楊子烈得知張國燾在武漢脫離中共的消息后，向中共中央組織部和毛澤東提出要求，要到武漢找張國燾。在得到批準后，楊子烈一行先從延安到西安。在西安八路軍辦事處，楊子烈痛哭流涕，聲言要去勸說張國燾回來。辦事處的同志還想多做做她的思想工作，林伯渠說，沒什么可做的了，她連孩子、行李都帶上了，要去武漢勸說，何必帶這些呢-明擺著要走嘛!楊子烈來到武漢八路軍辦事處后，周恩來同她談話，希望她勸說張國燾，不要對黨做得太絕了。楊子烈表示同意。周恩來派邱南章把楊子烈姐妹和張海威送到了張國燾的住處。從此，楊子烈也是一去不復返了。
過了不久，張國燾托人捎口信到江西萍鄉家中，要其母親到武漢來團聚。在其四弟張國杰的護送下，母親來到了武漢。張國燾的母親知道大兒子喜歡吃家鄉風味的飯菜，還帶了一位廚師來。母子久別重逢，自然有說不完的話。張國燾還對弟弟說：以后你什么事都可以干，就是不要搞政治，政治場上是非多。
張國燾正式參加國民黨特務組織“軍統”的工作
張國燾投靠國民黨之后，蔣介石對他寄予了很大的希望。蔣介石曾派陳立夫同張國燾談話，問他愿意做些什么工作-張國燾表示希望由他出面創辦一種定期的民辦刊物，從思想理論上揭發共產主義不適合于中國，喚醒一般青年人的幻覺，使其迷途知返。唯缺乏資金，希望政府給以接濟，并高度保密，否則非失敗不可。對于張國燾的這一想法，蔣介石因另有打算，沒有同意。
這時，國民黨的一些特務組織也對張國燾頗感興趣，希望能從張國燾的口中得到有關中共和八路軍、新四軍的情報以及中共地下黨組織的線索。CC系陳立夫、陳果夫很想讓張國燾去工作，軍事委員會政治部也說需要這樣的人，胡宗南、康澤等也向蔣介石請求，讓張國燾到他們那里工作。一時間，登門者絡繹不絕，張國燾有時不得不跑到蔡孟堅家去“避難”。但是，蔣介石對于這些部門的請求，都沒有答應。
武漢失守前，張國燾應廣西“朋友”之邀到桂林觀光。張國燾攜一家老小前往。在桂林的一天晚上，母親向張國燾講述了自他離開家鄉以后的家境，引起了張國燾的共鳴。他對自己前半生的所作所為深感后悔，對自己的前程感到茫然。
在張國燾到達桂林的第三天，廣西的《建設》雜志全文刊登了共產國際批準開除張國燾黨籍的決定。張國燾看到后大為喪氣，認為是在戲弄譏嘲他，于是掃興離開桂林，轉赴重慶。
到重慶以后，蔣介石給張國燾的工作做出了安排。蔣介石在接見張國燾時，指著站在身旁的戴笠，很客氣地說：我想請張先生給他幫幫忙。就這樣，張國燾正式參與了國民黨特務組織“軍統”的工作。蔣介石還委任張國燾為軍事委員會中將委員，但這只是一個空頭銜。
張國燾到軍統后，受到戴笠的重視。他主持所謂“特種政治問題研究室”，擔任研究室的少將主任。為國民黨特務組織策反中共人員出謀劃策。他還主辦所謂“特種政治工作人員訓練班”，為國民黨訓練特務，專門從事反共的特務活動。曾任軍統總務處長的沈醉后來回憶說：
戴最初對張國燾寄予極大的希望，滿以為只要張肯賣一點氣力，便可以把共產黨搞垮。張國燾說要辦一個訓練班，由他來培訓一批專門人員，戴笠馬上挑選各訓練班畢業學生中最優秀分子送去給他訓練。他說要在陜甘寧邊區設立一些策反站，戴笠馬上照他計劃辦理。真是要人給人，要錢給錢。這時張國燾不僅是戴笠宴客時座上最受歡迎的佳賓，也是戴笠引為最得意的部屬。他每次請客準備邀張國燾去參加時，往往先告訴他的朋友，并且用很驕傲的口吻先向朋友們介紹說：“明天你來吃飯時，便可以看到共產黨里面坐第三把交椅的人物了。”
張國燾雖然為軍統培養訓練了一大批專門對付共產黨和邊區的特務，但是能夠派出去的并不多。沈醉在談到這一情況時說：“這個訓練班的學生雖經戴笠親自挑選，又由張國燾親自主持訓練半年，但訓練期滿后，經過張等考核，認為適合派往邊區打進延安的還是不多，具體數目我不清楚。聽說經過挑選，只有極少數的人派往張所領導的幾個‘策反站’去工作，其余大多數派在蔣管區內的一些重要兵工廠擔任‘防共’工作。”
即便是少數經過嚴格挑選出來的特務，派出去后也收效甚微。既打不進去，也拉不出來。戴笠想在延安設立一個延安站或延安直屬組，張國燾用盡了一切辦法，始終沒有搞成。張國燾派人手持戴笠的信件，到太行山區請第二十七軍軍長范漢杰幫助進入八路軍第一二九師防區活動，結果不僅沒有效果，反而連去的人也沒有回來。最后只能在國民黨統治區的漢中設立一個特別偵察站，在榆林設立一個陜北站，在洛川設立一個延安站，并且沒有多少作用。由于訓練班的作用不大，使戴笠感到失望，所以只辦了兩期便停辦了。
張國燾的工作不見成績，不禁使戴笠大為惱火
張國燾在軍統期間，還接應過個別的共產黨的叛徒。1939年，原紅四方面軍第九軍軍長何畏叛變。在張國燾叛黨之前，何畏緊跟張國燾，犯過嚴重錯誤。張國燾叛逃后，何畏步他的后塵，投奔國民黨，被國民黨特務機關扣押。在被扣押期間，何畏致函張國燾求救。張國燾拿著何畏的求救函去找戴笠，乞求戴笠將何畏接到重慶來共商反共大計。戴笠雖表示同意，但仍拖了半年之久才將何畏釋放。何畏見到張國燾后，也做起了國民黨的特務。
張國燾還現身說法，勸說一些被捕的共產黨員自首叛變，但常常不能如愿。沈醉曾回憶說：
我親自聽到張國燾勸說過一位1942年在重慶南岸秘密逮捕到的地下黨員。張國燾一開始就作自我介紹，使得對方為之一驚。接著他就用連他那樣有很高地位的“老黨員”都不再當共產黨而愿投向國民黨等等一套無恥讕言，要求對方考慮。但很出人意外，那位地下黨員用很堅決的口吻回答說：“我不能這樣做，死又有什么可怕!”張國燾最后也只好老著臉皮說什么“我是為了你好，你再仔細考慮考慮”。然后，他灰溜溜地走開。
當然，這位堅貞不屈的英雄，最后成為革命烈士。
蔣介石和戴笠原指望利用張國燾這個“帶頭羊”，對中共進行大規模的策反工作，但張國燾到軍統后的工作令他們大為失望。本來，蔣介石對張國燾這樣的中共叛徒，就是既利用，又提防。他曾在戴笠的一個請示報告上批了一句話：“凡是能叛變共產黨的人，也會隨時叛變我們。”戴笠根據這一批示，提出了軍統使用中共叛徒的八字原則：“尊而不敬，用而又防。”在軍統內部，設立了督察室防奸股，專門監視中共叛徒的活動。特種政治研究室的秘書黃逸公，就是被派去監視張國燾的。
張國燾的工作不見成績，不禁使戴笠大為惱火。他有一次說：“校長(指蔣介石)對張來投靠，以為對延安是致命的打擊，交我運用。幾年來，大失所望，使我對校長難以交差。”這樣，張國燾在軍統的日子越來越不好過了。沈醉回憶當時張國燾的處境時說：
這時戴笠開始對張國燾冷淡起來了，原來交給他辦的特種政治工作人員訓練班也在辦了兩期以后停止，畢業的學生也無法按計劃派遣出去，只好改派其他工作。一些策反站因毫無成績，慢慢都撤銷了。張國燾再也不受歡迎，半年、幾個月都見不到戴笠一次；即令見到了，不是被當面諷刺幾句，就是被嚴厲地訓斥一番。有次不知道是為了一個什么問題，戴笠對張國燾答復他的詢問不滿意，便暴跳如雷地拍著桌子罵張。張走出來時，表現出垂頭喪氣的樣子。我進去問戴：“什么事又發氣-”他沒有正面答復我，只余怒未息地說：“這家伙(指張國燾)太不知好歹。他不要以為這樣可以對付得過去!”從那次以后，張國燾怕見戴。局里對張的一切優待，慢慢改變了，過去給張的一輛專用汽車也取消了。……以后幾年，張只是坐冷板凳和受氣。根據和張一起工作過的秘書黃逸公和張國燾派去延安的沈之岳告訴我說：戴笠罵張國燾不肯為軍統賣力實在有點冤枉。他連吃飯睡覺都在想辦法，實在是因為共產黨組織太嚴，防范太周密，所以做不出特別成績來。
失寵之后的張國燾：無計可設無公可辦
失寵后的張國燾已沒有往日的威風，有時出門辦事也不得不坐起了公共汽車。童小鵬這樣記述了他在公共汽車上偶然遇到張國燾的情景和感想：
1939年冬的一天，我從重慶紅巖八路軍辦事處走到化龍橋搭公共汽車進城，一上車就看到在車尾角角里坐著張國燾，戴了一副黑框的眼鏡，穿著一件黃色風衣。我開始以為看錯了，但越看越像，沒錯。這趟車是從磁器口開到重慶市區的，大概是對特務們講完課后回到軍統去的。我心里暗自好笑。想起張國燾在四方面軍當“張主席”時，從不走路，總是騎馬。長征過草地時，還是一人兩匹好馬換著騎，兩匹大騾子給他馱衣服、被褥和食品。到了延安，雖然還沒有小轎車(當時只一輛華僑送的救護車供毛主席專用),但也同朱總司令、林伯渠主席一樣，可以坐在卡車前頭去開會，是當時的最高待遇了。而現在居然和我這個小干部一樣搭破爛的公共汽車了。
在重慶期間，張國燾還通過同鄉甘家馨的關系，認識了國民黨中央組織部部長朱家驊。經朱家驊推薦，張國燾被聘為“對共斗爭設計委員會”的中將設計委員兼主任秘書。張國燾無功受封，引起特務們的嫉妒和不滿。張國燾在這里仍是沒有太多的事可干，他曾無可奈何地感嘆：我“無計可設，無公可辦，每日去坐一二小時，頗感無聊”。
有一次，朱家驊要張國燾轉交給此時掙扎于貧病交加之中的陳獨秀一張5000元的支票。對于這筆在當時是數目相當可觀的款子，陳獨秀拒絕接受，托人退還給了張國燾。對此，張國燾也無可奈何。
張國燾越來越沒有多大用處了。1940年底，蔣介石安排張國燾任第二屆國民參政會參政員。中共中央對此表示強烈不滿，多次指示在重慶的周恩來提出交涉，要求取消張國燾的參政員資格，否則，中共參政員將不出席會議；如國民黨方面尚愿顧全國共合作，“可令張國燾自動撤銷參政員”。12月7日，周恩來致函張沖，要他代向國民參政會秘書長王世杰聲明，中共不同意張國燾和葉青出席國民參政會，并將意見轉達蔣介石。由于蔣介石的堅持，1941年3月第二屆國民參政會開會時，張國燾仍被安排參加會議，當了參政員。后來，張國燾又連續擔任了第三、第四屆國民參政會參政員。由于他是中共的叛徒，為一些參政員所不齒。遇有共產黨的參政員，他總是躲避一邊。因此，他在參政會里也沒有什么作用，“無政可參”。
1945年5月，在國民黨第六次全國代表大會上，張國燾被選為國民黨中央執行委員會委員。8月，在日本投降前夕，蔣介石召見張國燾，讓他草擬一個管理全國糧食和一般物價的方案。張國燾到處搜集材料，連熬幾夜，寫出一份洋洋萬言的方案。送給蔣介石后，就沒有下文了。
戴笠乘坐的飛機機毀人亡張國燾另謀出路
1946年3月，戴笠乘坐的飛機撞在南京附近的江寧縣板橋鎮戴山，機毀人亡，軍統也準備改組裁員。不久，軍統改為國防部保密局，張國燾也趁機另謀出路。他通過同鄉、時任國民黨中央設計局局長的熊式輝，向國民政府行政院善后救濟總署署長蔣廷黻推薦，當上了善后救濟總署江西分署署長和江西省臨時參議會參議員。
張國燾一上任，就受到了江西省主席王陵基的排擠。原來，當年張國燾率紅四方面軍入川時，曾與田頌堯、王陵基交戰川北。田、王損失慘重，大敗而逃。王陵基因此被劉湘撤職，拘禁數月。如今，張國燾雖然脫離了共產黨，但王陵基舊恨難消。于是，他讓部下對張國燾冷嘲熱諷，蓄意刁難。不久，張國燾不得不離開江西，避居上海。
張國燾在上海閑居了將近兩年。在這兩年中，中國的政治軍事形勢發生了急劇的變化。1946年6月，蔣介石發動全面內戰后，經過1年的作戰，中國共產黨領導的人民軍隊不僅粉碎了國民黨軍隊的進攻，而且從1947年7月開始，轉入了戰略進攻，將戰爭引向了國民黨統治區域。與此同時，在國民黨統治區也興起了廣泛的學生運動和人民運動，形成了反對國民黨統治的第二條戰線。南京國民黨政權已處在風雨飄搖之中。
1948年6月，不甘寂寞的張國燾籌集了約一百二十兩黃金的經費，在上海施高德路辦起了一個創進周刊社，出版《創進》周刊。這個周刊社的成員是臨時湊起來的，總編輯是鄭學稼。開始，《創進》周刊并沒有受到國民黨的重視，所用紙張都是以市價購進。按照國民黨中央宣傳部的規定，凡從事反共宣傳的報紙雜志，按月分配官價紙張。后來，張國燾托人向國民黨中央宣傳部部長黃少谷說情，《創進》周刊社才得以配給官價紙張。
《創進》在代發刊詞中，以貌似公正的面目出現，標榜自己是講“老實話”的，但在實際上，它不過是為國民黨捧場和進行反共宣傳的工具。
面對國民黨政府的經濟、政治、軍事危機，《創進》周刊發表文章，希望有一個強有力的人物出來挽救危機。在一篇題為《門神救國論》的文章中，把蔣介石發動內戰比做曾國藩鎮壓太平天國農民政權，鼓吹：“只要有一個像曾國藩那樣氣魄與做法的人，出面號召，決定可以完成救國使命的。”文章甚至說：誰能充當“現代的曾國藩”，“誰就是現代中國的救世主”。文章把希望寄托在蔣介石之子蔣經國身上，吹捧說：“近來蔣經國在上海執行新經濟政策，有聲有色，人人喝彩。”“現實環境正需要這類人，才能有所作為。”蔣經國對于“戡亂建國大業，已然可以勝任愉快的”。
《創進》周刊發表的一些文章，把造成全國危機四伏、民不聊生的原因，歸罪于中國共產黨，對中國共產黨進行了大量的攻擊。文章誣蔑中國共產黨“為了奪取政權”，“毫無道德倫理和國家存亡的顧忌”，“更不惜以百姓為芻狗”，“二十年來的悠長歲月之中，共黨浸沉于殘殺破壞擾亂之中”，“假定共黨‘武裝革命’成功，繼軍事征服力量而起的，必然是一種獨裁政治無疑”。“中國共產黨無論標尚何種理想目的，他們所采取的手段則是有害而可怕的”，“一方面大有利于俄國人向東亞的發展，大有害于中國民族底獨立和生存；在另一方面激烈地擾亂社會底秩序，嚴重地戕害國民經濟生活。”在對中國共產黨竭盡誣蔑之后，《創進》周刊的文章叫嚷：“根據這些理由，共黨的暴亂是必須遏止的”，必須“戡亂”。當人民解放軍與國民黨軍隊進行戰略決戰的時候，《創進》周刊仍在吹噓國民黨軍隊，說：“中共軍事力量雖日在進展中，但中共若想進行一次嚴重的陣地戰，政府還是能夠抵擋，而且還是能夠勝利的。不管政府軍隊中有何種的弱點，但它至今尚未最終失去這個能力。”
但是，戰局的發展卻不像《創進》周刊的文章所說的那樣，經過遼沈、淮海、平津三大戰役，人民解放軍基本上消滅了國民黨軍隊的主力，國民黨的統治大勢已去。
在這種形勢下，國民黨的許多高級官員紛紛逃往臺灣。張國燾也驚恐不安，考慮自己的退路。這時，蔣介石指示國防部保密局局長毛人鳳，要盡可能不讓中共叛徒去臺灣，要勸他們留下。原因是共產黨勝利了，中共叛徒決不會再死心塌地跟著國民黨走，讓他們去臺灣，只能增加負擔。蔣介石還特別指示毛人鳳，讓他勸說張國燾留下。
1948年冬的一天，毛人鳳在上海家中請張國燾吃飯，邀沈醉作陪。飯后，毛人鳳還在重復他們談話的主題：希望張國燾留在大陸，并說明這是蔣介石親自決定的。張國燾聽了立即表示：他已考慮過了，現在再也不想干什么，只希望到臺灣山明水秀處當老百姓，寫一點東西。毛人鳳則再三勸說張國燾，說經過多方面分析研究，共產黨來了決不會殺害他，留下便能在共產黨內有一位共事多年的老朋友，這比去臺灣的作用大得多。張國燾低頭沉思了幾分鐘后，慢慢地抬起頭來，用低沉的聲音說：你們的考慮是對的，他們來了，決不會置我于死地，但是批和斗肯定少不了，人總是要面子的，我實在受不了。就這樣，毛人鳳同張國燾的談話不歡而散。張國燾走后，沈醉問毛人鳳：為什么要讓張國燾落入共產黨之手呢-毛人鳳回答說：過去他就沒有做出過什么，讓他去臺灣還能做出什么呢-如果他不愿意留在大陸，臺灣是不會歡迎他去的。
張國燾沒有聽從毛人鳳的勸說。他把《創進》周刊停刊，于1948年11月攜全家去了臺灣。他當時或許沒有想到，他這一去，就再也沒有回來。
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