De la consolidación en la categoría de plata se pasó en la temporada 1934-35 al ascenso a Primera División. Emilio Urdiroz dirigió a este equipo en el que resaltaban jugadores como Iturralde, Vergara, Paco Bienzobas y Catachú. Osasuna quedó primero en su grupo de la Liga regular y se jugó el ascenso ante Hércules, Celta, Murcia, Sabadell y Valladolid. Los rojillos estaban obligados a ganar en el último partido ante el Murcia, en San Juan. Ganaron 3-0 y Pamplona vivió el primer ascenso a la máxima categoría del fútbol nacional. Ese once estuvo formado por: Urreaga; Ilundáin, Recarte, Ruiz, Cuqui Bienzobas, Urdiroz II; Castillo, Iturralde, Vergara, Paco Bienzobas y Catachú.
Esta temporada también se recordará por la clasificación para semifinales en la Copa. Afrontó tres eliminatorias, con victoria en las dos primeras ante Badalona y Zaragoza, respectivamente. En semifinales cayó ante el Sevilla con derrota en el campo Nervión (4-1) y con polémica en San Juan.
El paso del C.A. por Primera División fue efímero, tal y como quedó reflejado en la temporada 1935-36, cuando terminó último con cierta regularidad en casa, pero sin lograr ni un solo punto en los desplazamientos. En el aspecto individual, destacó la capacidad goleadora de Julián Vergara, con 19 tantos.
En Copa, el C.A. Osasuna volvía a plantarse en semifinales, tras dejar en la cuneta a Racing de Santander, Oviedo y Betis. El sorteo deparó como rival al Barcelona y, tras el primer partido disputado en San Juan (4-2), los rojillos mantuvieron viva la esperanza de alcanzar la final. En Barcelona, la afición no quiso dejar solo al equipo y se fletaron varios autobuses para el partido de vuelta. El sueño terminó con un contundente 7-1 para los culés.