По партийной мобилизации он отправился на Восточный фронт с отрядом иваново-вознесенских рабочих, которыми командовал Дмитрий Андреевич Фурманов. Этот отряд составил костяк Алексан­дровско-Гайской группы войск, возглавляемой амбициозным, но та­лантливым боевым командиром Василием Ивановичем Чапаевым. В мае 1919 года это соединение было переформировано в 25-ю стрел­ковую дивизию. По мощи она напоминала армию, включая в себя 11 пехотных и 2 кавалерийских полка, 2 разведывательных кавдивизиона, 24 орудия, 4 броневика, 4 аэроплана, курсантскую школу и хозяйственные подразделения. Фурманов получил при Чапаеве должность комиссара, а Долгирев возглавил дивизионный политот­дел. Первое время их отношения складывались довольно сложно, од­нако потом переросли в тесную боевую дружбу.

Чапаевцы удачно действовали под Бугульмой и Белебеем, причем на их сторону даже перешел набранный из принудительно мобилизо­ванных крестьян полк из 1-го Поволжского армейского корпуса гене­рала Владимира Оскаровича Каппеля. Но на рубеже реки Белой крас­ное наступление застопорилось. Попытка переправиться южнее Уфы закончилась неудачей. Зато к северу от города красные захватили два парохода. Сюда же согнали лодки, и образовалась вторая переправа. Бе­лые поначалу сочли ее демонстрацией. Именно здесь под прикрытием массированного артиллерийского огня Чапаев перебросил на правый берег сначала два батальона пехоты, затем первую бригаду, прорвал обо­рону колчаковцев и захватил плацдарм для успешного развития Уфим­ской операции.

Пытаясь сбросить чапаевцев в реку, каппелевцы бросались в шты­ковые атаки, но всякий раз откатывались обратно. Одна из таких «пси­хических атак» и была показана в фильме «Чапаев». Только в кино она изображена неверно. У Каппеля не было офицерских полков, черно-бе­лой марковской формы, корниловских черепов вместо кокард и чер­ных махновских знамен. А ижевцы и у Колчака продолжали воевать под Красным знаменем, в атаки ходили с «Варшавянкой».

Белых встретил шквальный огонь десятков орудий и пулеметов. Неся большие потери, каппелевцы все же сошлись с чапаевцами врукопашную. При налетах неприятельских аэропланов был тяжело ранен начдив 25 и контужен командующий Южной группой красных войск Фрунзе. Фурманов и Долгирев подняли бойцов в контратаку — вечером 9 июня ворвались в Уфу и перерезали железную дорогу на Челябинск. Корпус Каппеля начал отход к Уральским горам. После поражения меж­ду Волгой и Уралом Белое движение на востоке медленно, но неуклонно покатилось к своей гибели.

За Уфимскую операцию Чапаев был награжден орденом Красного Знамени. В приказе Реввоенсовета говорилось, что в ходе контрнасту­пления против колчаковских войск «настойчивыми, стремительными ударами и искусным маневром он остановил наступление противника и в течение полутора месяцев овладел городами Бугурусланом, Белебеем и Уфой, чем спас Среднее Поволжье и возвратил Уфимско-Самар­ский хлебный район. В боях под Уфой (8 июня с. г.) при форсировании реки Белой лично руководил операцией и был ранен в голову, но не­смотря на это не оставил строя и провел операцию, закончившуюся взятием Уфы».