次年，受毛泽东邀请，段德昌来到长沙，一起参加革命活动，被毛泽东称赞为“好同志”。
1926年，因“中山舰事件”被蒋介石开除黄埔军校学籍的段德昌，在广州与毛泽东相遇，彼此忘情地热烈拥抱良久，毛泽东邀请段德昌到寓所畅述。毛泽东充满希望地说：“德昌弟，为了组织千千万万的工友农友拿起武器开展革命斗争，建立我们无产阶级的政权，你就到李富春同志主办的中央政治讲习班去学习吧。由周恩来推荐，我来介绍，你看怎么样？”段德昌高兴地点了点头。
1927年春，已是国民革命军第八军第一师政治部秘书长兼《北伐周报》主编的段德昌，拜访了在武汉住地撰写《湖南农民运动考察报告》的毛泽东。两人谈起古今中外的军事思想和著名战例，分析中国革命形势，展望革命未来，一直到金鸡报晓。
深厚的革命友谊，让毛泽东与段德昌心有灵犀。1928年1月，毛泽东在井冈山革命根据地提出的“敌进我退，敌驻我扰，敌疲我打，敌退我追”的游击方针，竟然与在千里之外的洪湖领导游击战的段德昌所提的“十六字诀”———“敌来我飞，敌去我归，敌多则跑，敌少则搞”异曲同工。1938年5月，毛泽东在《抗日游击战争的战略问题》中对此称赞：“红军时代的洪湖游击战争坚持了数年之久，都是河湖港汊地带能够发展游击战争并建立根据地的证明。”
1944年4月，中共在延安召开六届七中全会时，通过了中共历史上第一个关于历史问题的决议，为召开党的“七大”和全面清算王明“左”的路线做思想和组织上的准备。会上，毛泽东亲自提议为冤死的段德昌平反昭雪。5月21日，当任弼时详细介绍段德昌被害一事后，毛泽东、彭德怀、贺龙等非常难过。毛泽东再次郑重提议为段德昌平反昭雪。6月11日，中共“七大”决定召开段德昌等死难烈士追悼大会。17日，大会在中央党校大礼堂举行。毛泽东、朱德、刘少奇、周恩来、任弼时等中央领导及“七大”全体代表、延安各界代表参加大会。毛泽东担任主祭，并题挽词：“死难烈士万岁。”这也是段德昌被害后第一次享受组织的祭祀。
1952年8月3日，中华人民共和国主席毛泽东为段德昌签发了“中共字第零零零一号”“革命牺牲军人家属光荣纪念证”即“烈士证”。段德昌排在“烈士证”第一号，足见其对中国革命的贡献，也足见其在毛泽东心目中的份量。
1955年解放军授衔时，毛泽东对段德昌这个军事英才死于“左”倾路线，多次表示惋惜，甚至在听取彭德怀和总干部部副部长徐立清的汇报，提及段德昌时，激动得泪流满面，汇报不得不被中断，改日进行。
1953年1月，段德昌的忠骨自牺牲地迁葬于鹤峰下坪，1962年再迁至鹤峰满山红烈士陵园。
