1935年1月，红四方面军接中央电示，准备向嘉陵江以西发展，策应中央红军北上。为创造渡江的有利条件，遂决定举行陕南战役。战役初期，他率二十五师在转斗铺地区担负保障正面进攻部队左翼侧后安全的任务。他不怕三面临敌的危险，率部会同兄弟部队将陕军第四十九旅和独立旅的一个团大部歼灭，连克新铺湾和勉县。同年2月，他指挥二十五师攻打凤仪场，迫使敌军一个团缴械投降。4月2日，率二十五、二十七两个师，会同兄弟部队包围江油。敌邓锡侯亲率十八个团的兵力前往增援。他率二十五师参加打敌援兵。当八十八师攻占敌塔子山主阵地时，他乘机抛开当面之敌，挥师迅速向敌右侧包抄。敌军顿时动摇。方面军乘机全线反击，俘敌3000余人，邓锡侯几乎被生擒。他勤于学习，善于思考，十分重视抓部队的文化学习和政治思想工作。九军的编制除有一个主力师外，并不是主力军编制，但它的战斗力量却始终与主力军齐名，在转战川北、陕南、川康边境的数十次战斗中，每次都出色地完成总部交给的战斗任务，长期任政委的陈海松起了重大作用。

1937年3月，在甘肃祁连山下的梨园口战斗中，他率领九军，为掩护三十军和总部的撤退，浴血奋战，身中八弹，壮烈牺牲。同年，在延安宝塔山下，毛泽东和许多中央领导人都亲自参加了为陈海松举行的追悼会。抗日战争时期，朱德多次对一些老同志说：“陈海松是红四方面军最年轻有为的军级指挥员，可惜他牺牲得太早了。如果他现在还活着，一定能发挥更大的作用。”