到了1947年5月，卢汉的心情开始矛盾起来，他对部下说：“现在跟着共产党去干，是半路出家，没有什么好处。国民党对我们也不是诚心的，他利用我们。但从目前情况来看，只好暂时如此。”
到了1948年底，卢汉对他的秘书这样说：“我们都坐在国民党这只船上，由于这只船的管理人员太不行、太坏，使这只船经不起大风大浪的冲击，眼看就要沉没了。不过，它既是一只大船，不是一下子就沉下水去，还得慢慢地沉。沉是注定的了。问题是坐在船上的人各自怎么办。”这时，卢汉已经在重新考虑“怎么办”了。
1949年4月，卢汉多次通过中共秘密派出的联络人员询问中共方面对起义人员的政策，卢汉说：“我和部下们都悔恨是国民党的将领，以前做过一些对不起共产党和人民的事，起义后能否得到中共方面的谅解？”尽管仍有顾虑，卢汉面交了一份表示起义决心的信件，托人交给中共中央领导人。1949年6月，原任国民党北平警备区中将司令官的周体仁受到周恩来、朱德委托，辗转回到昆明，与卢汉长谈。卢汉感叹：“傅作义兵比我多，地比我富，尚且依靠共产党，我卢汉咋个还为老蒋卖命。”同年7月底，中共滇黔桂边委与卢汉方面商定“卢汉起义应在我解放大军接近云南之际”举行，卢汉作了准备起义的各方面部署，开始把武器弹药交给中共领导的游击队“边纵”。
卢汉的转变，是很多国民党高级军政人员逐渐倾向于起义，倒向人民这边的典型例子。
4.宣布云南起义击退蒋军反扑
1949年11月，南下的解放军已攻入广西和贵州，云南起义的时机成熟了。1949年12月8日，卢汉决定起义。12月9日晚上9点，卢汉以国民党西南长官公署主任张群的名义召开会议，将在昆明的国民党中央军的高级军官李弥等和军统特务头子沈醉等一网打尽；晚上10点，卢汉宣布起义，向毛泽东、朱德、周恩来发出《云南起义通电》。12月10日清晨，五星红旗在五华山云南省政府冉冉升起，昆明居民欢欣鼓舞，纷纷悬挂早已准备好的五星红旗。
卢汉还致电刘文辉，要他会同四川各将领扣留蒋介石，可惜此电为蒋截获，蒋在1949年12月10日下午慌忙在成都登上飞机，最后一次离开了大陆。
1949年12月12日，卢汉出任云南省临时军政委员会主席，指挥起义部队与反扑昆明的四万蒋军作战，中共昆明市委组织群众掀起支援前线的热潮，蒋军未能攻入昆明一步。1949年12月22日，解放军先头部队乘汽车赶到云南东部的曲靖，围攻昆明的蒋军纷纷南逃。
1950年2月24日，云南全境解放。此后，卢汉先后出任云南军政委员会主任、西南军政委员会副主席、全国政协常委、国防委员会委员、国家体委副主任和民革中央常委等职务。1974年卢汉逝世，叶剑英、邓小平等出席了他的遗体告别仪式。