Con đường đón Bác về nước, theo hồi ký của ông, “thật gian khổ, khó khăn và không kém phần nguy hiểm. Phải dò dẫm từng đoạn, thấy thật an toàn mới tiếp tục đi”. Dù qua thành phố hay xuyên rừng, mọi người đều phải hóa trang: có lúc Bác đóng vai nhà báo Trung Hoa “Tân văn ký giả”, mặc complê, nói tiếng Trung Quốc và tiếng Pháp; đồng chí Phạm Văn Đồng đóng vai phiên dịch; Đặng Văn Cáp và anh em đóng vai người đi đường.
Ở Pác Bó, ông được giao in tài liệu, giao dịch, vận động và kết nối với đồng bào địa phương để xây dựng cơ sở cách mạng vững chắc, giúp đỡ lương thực. Công việc hằng ngày phải trèo đèo, lội suối hàng chục cây số, nhưng ông không ngại khó, luôn tin rằng Bác đã trở về Tổ quốc thì nhất định dân tộc sẽ sớm thoát khỏi ách thực dân, phong kiến.
Điều kiện thời tiết vùng núi khắc nghiệt, sương muối bao phủ, độ ẩm trong hang đá rất cao; thực phẩm hằng ngày chủ yếu là cháo bẹ và măng rừng. Bác thường xuyên ốm, sức khỏe bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Đặng Văn Cáp đã dùng chính kiến thức y học cổ truyền của mình, túc trực chăm sóc Bác, lặn lội khắp các cánh rừng Pác Bó tìm cây thuốc nam có tác dụng giải cảm, bồi bổ.
Nhận thấy cây ổi rừng rất tốt cho đường ruột, ông hái búp ổi non, rửa sạch rồi đun nước uống hằng ngày cho Bác và các đồng chí. Sự tận tụy ấy đã giúp Bác duy trì được sức khỏe, vượt qua ốm đau để tiếp tục chèo lái con thuyền cách mạng Việt Nam đi đến thắng lợi.
Trước khi sang Trung Quốc “bàn việc lớn”, Bác căn dặn ông: “Chú là người biết làm thợ rèn, chú phải chú ý nghề đó để khi có dịp là rèn giáo mác cho du kích”. Từ lời dặn ấy, Tổng bộ Việt Minh giao cho ông phụ trách xây dựng xưởng vũ khí tại vùng Lũng Hoàng, sau đổi tên là Lam Sơn.
Cách mạng Tháng Tám thành công, ngày 20/9/1945 ông nhận lệnh của Trung ương về Hà Nội làm thư ký biên dịch tiếng Trung và chăm sóc sức khỏe Bác Hồ. Ngày 1/10/1945, khi ông về đến Hà Nội thì Bác đang sốt. Thấy Bác gầy, ông không cầm nổi nước mắt; rất tế nhị, đợi các bác sĩ đi khỏi, ông mới vào bắt mạch, cắt thuốc cho Bác uống, sau đó Bác đỡ nhiều.
Thời kỳ thù trong giặc ngoài, ông cùng anh em bảo vệ khéo léo ngăn mọi mưu đồ quấy rầy Hồ Chủ tịch. Ít hơn Bác 4 tuổi và có vóc dáng gần giống Bác, ông được tổ bảo vệ chọn đóng giả Bác Hồ — một cách hóa trang khiến mạng lưới mật vụ xảo quyệt không tài nào phân biệt được ai là vị đứng đầu Chính phủ nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa. Tháng 3/1946, trước lúc đi Pháp ký Tạm ước, Bác chỉ thị cho ông cùng anh em phát triển “Lò rèn lô cốt đỏ”; từ đó “Binh công xưởng Ké Cáp” đã sản xuất nhiều loại vũ khí phục vụ cuộc kháng chiến trường kỳ chống thực dân Pháp.