Tháng 3 năm 1945 Nhật đảo chính Pháp. Qua sự giới thiệu của chú và anh (anh trai của ông bị tù năm 1941, sau khôi phục làm chính quyền địa phương và vào bộ đội), ông tham gia vào mặt trận Việt Minh, theo truyền thống của gia đình. Tại cuộc họp cán bộ Việt Minh tỉnh Nghi Lộc để bầu ban chấp hành lâm thời mặt trận Việt Minh huyện, ông và Hoàng Niệm (sau là tư lệnh bộ đội thông tin) tuy là thành viên mới nhưng cũng được bầu làm uỷ viên uỷ ban chấp hành huyện. Tháng 6 cùng năm đó, ông được cử về tổng Vân Trình phụ trách tổ Việt Minh của tổng và việc tổ chức các tổ Việt Minh ở xã.

Khi Cách mạng tháng Tám nổ ra tại huyện, một cuộc mít tinh lớn đã được nổ ra để ra mắt chính quyền cách mạng, Hoàng Đan dẫn đầu đoàn quần chúng tổng Vân Trình về dự mít tinh. Đến tháng 11, ông được triệu tập vào ban tuyên truyền tỉnh bộ Việt Minh bổ sung vào đoàn tuyên truyền lưu động. Đầu năm 1946, ông được cử đi học trường quân sự quân khu mới mở ở Nhượng Bạn, Hà Tĩnh và sau khi ra trường, ông về hoạt động ở tiểu đoàn tiếp phòng quan Đông Hà (Quảng Trị) thuộc trung đoàn tiếp phòng quân đóng ở Bình-Trị-Thiên lúc bấy giờ.

Tháng 10 năm 1946, dưới sự giới thiệu của Hoàng La và Trần Văn Quang, Hoàng Đan đã được công nhận chính thức là một thành viên của Đảng Cộng sản Việt Nam. Công việc của ông lúc này là liên chi ủy viên tiểu đoàn - bí thư chi bộ, đồng thời cũng là chính trị viên của đại đội 2 - nơi ông nhận công tác.