1924年10月，冯玉祥在北京发动了反对北洋军阀政府的政变。我党抓住这一时机，号召召集国民会议。冯玉祥也表示愿意和孙中山的广东政府联合，并邀请孙中山北上，共商国事。我党从全局出发，支持孙中山北上召集国民会议。赵世炎坚决拥护党的方针，他认为，孙中山北上，是把革命从广州推向全国的一个极好机会。
1925年1月，孙中山到达北京后，奉直两系军阀张作霖、段祺瑞企图迫使孙中山放弃"联俄、联共、扶助农工"的"三大政策"，遭到了孙中山的拒绝。2月1日，段祺瑞等不顾人民反对，悍然召开了军阀分赃的"善后会议"，与共产党、国民党号召召集的国民会议相抗衡。孙中山身边的一些国民党人，也错误地提出采取"既不妥协，又不决裂"的"两大原则"。针对这种情况，赵世炎一面撰文揭露段祺瑞"善后会议"的真实目的，一面奉劝一切革命的国民党人，应认清方向，和人民站在一起。既不妥协，又不决裂是决不可能的。
1925年3月10日，在李大钊、赵世炎等人的积极推动下，由国民党和共产党共同发起的国民会议促进会全国代表大会在北京召开。赵世炎被任命为参加会议的中国共产党的党团书记，具体负责组织大会。大会断断续续开了一个月，赵世炎在大会上作了四个报告，分别就国民会议召开的目的、缩小各委员会组织及其任务、国际问题委员会的组织过程及其十六个议案的内容及意义和反对帝国主义侵略问题作了论述。他指出，中国的革命首先是打倒帝国主义，废除一切不平等条约，保证中国在国际上的完全独立。大会期间，我党还对国民党右派的多种破坏活动采取了又团结又斗争的方针，终于使大会胜利闭幕，大会最后还重申了"打倒军阀"的口号。
国民会议促进会召开期间，孙中山不幸在北京病逝。为了纪念孙中山，李大钊、赵世炎等组织了三十万市民参加了悼念活动，活动持续了三天，散发《政治生活》特刊三千多份。为中山先生出殡那天，有数十万群众参加了活动。形成了一个大规模的宣传游行队伍，队伍在经过西华门时，愤怒的群众砸碎了"善后会议"的牌子。赵世炎带领国民会议促进会的全体代表也参加了出殡活动。
1925年下半年，在冯玉祥驻扎的北方地区，工农运动恢复和发展起来。赵世炎认为，为民众政权而战斗的时机到了。他号召人们"要争取民众的自由，革命的民众必须为民众政权而战斗。"为此，他在学生中组织学生军，进行军事训练，并在学生军的基础上组织了敢死队，在工人中组织了保卫队，在农民中组织了自卫队。11月25日，在李大钊和赵世炎的亲自领导下，在北京发动了一场以推翻军阀段祺瑞政府、建立国民政府为目的的革命斗争。由于国民党右派从中捣乱。加上党的领导和群众都缺乏经验、特别是群众还没有真正武装起来，这次斗争没能达到预期的目的。
1926年3月12日，日军在大沽口炮击冯玉祥领导的国民军，英、美、日、法、荷、比、西等国无理要求段祺瑞政府命令国民军撤出防卫，并限四十八小时内答复。18日，李大钊、赵世炎、陈乔年等率领北京各界十余万人在天安门前集会，反对各国的最后通牒。会后，又组织了两千多人的请愿团，向段祺瑞政府请愿。当请愿群众来到执行政府门前时，段祺瑞竟指使军警向群众开枪，早当场打死五十人，打伤二百多人，制造了震惊中外的"三·一八"惨案。接着，京津地区的工会也被查封，整个华北地区的革命运动转入了低潮。对此，赵世炎没有气馁，他满怀信心地指出：压迫愈深，反抗愈烈，目前白色恐怖的局面，是真正的革命的催生剂。
随着形势的不断恶化，北方的党组织和工会都被迫转入地下，许多同志转移到其他地方工作。赵世炎则化名伊壁也夫，继续留在天津坚持斗争。
上海风暴
1926年3月，党中央调赵世炎任江浙区委兼上海区委组织部长和上海总工会党团书记。他一到上海，就深入到工人中去，了解情况，组织罢工斗争，准备武装起义，迎接北伐战争。在赵世炎和总工会同志们的领导下，上海的工人运动再次高涨起来。
仅6月份，上海就爆发了一百零七次罢工，参加罢工的群众达七万多人，上海已变成了一个"动的上海"。6月27日，反动派为了扑灭上海工人的罢工斗争浪潮，指使淞沪警察厅封闭了上海总工会。而赵世炎认为：上海总工会是封闭不了的，工人罢工斗争的发展、罢工斗争浪潮的重新兴起将是不可避免的。他不断总结这些罢工的经验教训，针对工会组织不严密，基层人员太少，战斗力发挥不够的弱点，指出，必须大力发展工会会员，尽量争取每个工人都加入工会。
为了把工人罢工运动推向新的高潮，赵世炎认为，应该组织市政工人进行罢工。于是，他深入电灯公司，向工人宣传革命道理，发展党员，建立党支部；他还发动电车工人、清洁工人参加罢工。7月11日，在赵世炎和上海总工会委员长汪寿华主持下，召开了上海总工会第三次代表大会，提出了上海工人的十一条总要求，并发表宣言，号召全市人民团结起来，为争取自己的政治权力和经济利益而斗争。会后，上海的工人罢工斗争更加猛烈地向前发展，八、九月份的声势超过了六、七月份。九月中旬，许多工厂在罢工斗争取得了一定胜利之后相继复工。至此，自"五卅"周年以来的连续四个月的经济大罢工基本告一段落。这期间，赵世炎还发表了许多文章，宣传革命道理，号召工人起来斗争；并且对罢工情况进行分析和总结。
正当上海工人大罢工轰轰烈烈进行的时候，广东国民革命军于1926年7月出师北伐了。北伐军的节节胜利，使上海的罢工热潮更加沸腾。10月，北伐军攻克武昌，革命形势有了进一步发展。上海党组织为了配合北伐军一部进攻上海，决定举行武装起义，由罗亦农、赵世炎为总指挥。但由于时机尚未成熟，此次起义未能成功。
1926年底，北伐军攻克九江，孙传芳部溃逃至南京，来上海接防的张宗昌部尚未部署就绪。江浙区委决定抓住这一有利时机，再次举行武装起义。赵世炎总结上次起义失败的经验教训，决定加强组织起义的宣传鼓动工作，充分发动群众；加强对工人武装纠察队的训练。江浙区委还成立了军事委员会，在区委下面设立了海军支部，凡有两名党员以上的舰艇均成立了党小组，并组成了海军三人会议，由赵世炎任指导员。
就在上海工人阶级积极准备第二次武装起义的时候，蒋介石的反革命嘴脸日渐暴露。对此，赵世炎在一次区委召开的会议上指出："蒋介石要浙江，目的在扩大势力，因此，我们对北伐军的欢迎，不应特别提倡，以免革命群众太信赖他们。"他在另一次区委会议上也强调："现在要使民众知道蒋必反革命，说北伐军、国民政府好而蒋不好。"1927年2月18日晚，在罗亦农、周恩来、赵世炎等领导下，上海总工会发布命令，举行全市工人总同盟罢工。罢工开始不久，上海防守司令李宝章便联合租界工部局向罢工群众展开了血腥屠杀。面对敌人的暴行，赵世炎愤怒地说："白色恐怖的屠杀，只有激起红色恐怖的革命。以恐怖答复恐怖，这便是革命的状态。"22日下午6时，党决定总同盟罢工转入武装起义。赵世炎一声令下，海军军舰上的同志立即炮击高昌庙兵工厂，各路工人纠察队一齐出动，袭击军警，夺取武器。但是，正当战斗激烈、急待援兵之时，蒋介石却密令已经进抵上海附近的北伐军白崇禧部停止进攻上海，使上海的反动势力得以集中力量向工人纠察队反扑，起义又失败了。
经过两次失败的上海工人阶级，没有被反动派的嚣张气焰所吓倒，而是在党的领导下，以更大的勇气和毅力准备迎接更大规模的起义。
3月21日下午4时，上海工人阶级的第三次武装起义，在周恩来、赵世炎、罗亦农等人的直接组织和领导下开始了。总结了两次失败教训的上海工人阶级，仅以一百五十支破枪和三颗手榴弹，与敌人血战了三十个小时，终于消灭了三千名直鲁联军和两千名警察，取得了武装起义的伟大胜利。
起义胜利后不久，蒋介石就在上海发动了四·一二反革命政变，大肆屠杀共产党员和工人群众。赵世炎根据中央"隐蔽精干，准备再干"的指示，下令工人复工，解散工会，党团组织也转入了地下。
慷慨就义
1927年5月，刚刚在中共第五次全国代表大会上当选为中央委员的赵世炎，又回到了白色恐怖笼罩下的上海，继续领导革命斗争。
6月中旬，江苏省委书记陈延年、秘书长韩步先等在上海恒丰里被捕，中央委派赵世炎代理江苏省委书记，继续领导上海和江苏地区的斗争。
韩步先经受不住敌人的威逼利诱而叛变，他不仅出卖了陈延年等人，也向敌人供出了赵世炎的住址。敌人深知赵世炎是上海工人中最有威望的领袖，决心不惜一切代价逮捕他。7月2日清晨，风雨交加，上海警备司令部根据叛徒的口供，包围了赵世炎的住所---北四川路志安坊190号。当时赵世炎外出还没有回来，敌人就等在那里。
赵世炎的妻子和岳母非常焦急。当赵世炎在路口出现的时候，他的岳母不顾敌人的阻拦，将窗台上作信号的花盆推了下去。但由于风雨太大，赵世炎没有看见。他一进家，就被逮捕了。此时的赵世炎，仍然想的是同志的安全，他趁敌人在房内搜查的时机告诉妻子，要她尽快告诉王若飞转移并且报告党组织。
赵世炎被捕后，始终不承认自己的真实身份，他只说自己叫夏仁章，湖北人，因家乡闹土匪才携巨款来上海做生意的。敌人施尽各种酷刑，赵世炎也不承认，弄得主审这个案子的敌人也真假难辨。敌人只好提审韩步先，这个叛徒一口咬定他就是施英(赵世炎的曾用名)，施英就是赵世炎。这时，另一个叛徒---上海总工会书记张保臣，也进行了指认。面对两个叛徒的指认，赵世炎理直气壮地承认了自己就是施英，是共产党员。他痛斥了叛徒的可耻嘴脸，并向敌人宣告："你们只能捉到我一个施英，要想从我口里得到半点机密，那是枉费心机！"
在狱中，赵世炎一面以一个革命者的坚强意志和敌人进行顽强的斗争，一面时刻挂念着党的工作，关注着工人运动的发展。他还托人给党组织带出一张纸条，请求组织上照顾好那些失业的工人兄弟。
赵世炎还鼓励狱中的同志要同敌人顽强的斗争，他说："革命就是要流血的，要改造社会就必须付出代价。""不要害怕，越怕越没有希望。"
赵世炎被捕之后，党组织从各方面进行了积极营救。在他身份未暴露之前，组织上曾通过各种社会关系，争取用钱赎卖；身份暴露之后，王若飞等又计划武装劫法场，但由于敌人防范太严，计划未能实现。
7月18日，敌人最后一次提审赵世炎。赵世炎毫无畏惧，大义凛然地宣传国民革命和共产主义，痛斥帝国主义对我国的欺压凌辱以及蒋介石背信弃义镇压人民的种种罪行。他满怀革命豪情地说："志士不辞牺牲，革命种子已经布满大江南北，一定会茁壮成长起来，共产党最后必将取得胜利！"他讲得越来越急、越来越快，声音也越来越大，讲得敌人瞠目结舌，无法记录下去。
赵世炎视死如归的英雄气概，使敌人惊恐万状，负责主审的杨虎、陈群等人说："这个人太厉害了，非杀不可，不然将来我们要吃他的苦头的。"
赵世炎知道自己将走完生命的最后一刻，他坦然地对同监的难友们说："要革命就会有牺牲，许多革命者不都先我而去了吗？"他鼓励难友们继续坚持斗争。
7月19日清晨，赵世炎在敌人的押解下，从容不迫地走出了牢房。在离开监狱时，他停住了脚步，回过头来，泰然自若地对战友们说："永别了，同志们！朋友们！"然后挺起胸膛，迈步走向刑场。牢房里的难友们顿时泣不成声。
临刑前，赵世炎高呼："工农兵联合起来！""打倒新军阀蒋介石！""中国共产党万岁！"
刽子手的刀落下来了，英雄的鲜血洒在了大地上，但他的伟岸身躯却久久屹立不倒！
党的优秀战士，伟大的共产主义者，年仅二十六岁的赵世炎，就这样英勇就义了。
当他牺牲的消息，传到江浙各地、传到北方、传到法国、传到苏联时，所有熟识他的人都悲痛万分。法国的华工和留学生为他开了追悼会和逝世一周年纪念会，并出版了纪念小报；1927年10月创刊的中共中央机关刊物《布尔塞维克》第一期刊登的《悼念赵世炎陈延年及其他死于国民党刽子手的同志》一文中称赵世炎和陈延年的牺牲"是中国革命最大的损失之一"，"中国无产阶级从此失去了两个勇敢而有力的领袖"和"忠实而努力的战士"，他们的牺牲"在中国共产党队伍中留下了空虚，这空虚将成为中国共产党奋斗的生命史上一个永不磨灭的黯然的伤痕！"