在一片讨蒋声中，这一年的4月27日至5月9日，中国共产党第五次全国代表大会在武汉召开。恽代英出席了大会，当选为中央委员。会上，恽代英和瞿秋白、毛泽东等对陈独秀的右倾投降主义进行批评，迫使陈独秀作了检查。
5月17日，国民革命军独立十四师师长夏斗寅叛变，恽代英率领军校学生随叶挺部队赴前线讨伐夏斗寅，取得了讨夏的胜利。继夏斗寅叛变后，5月21日，许克祥在长沙制造了“马日事变”；7月15日，汪精卫公开叛变，武汉三镇沉浸在一片恐怖之中。
反革命的屠杀，吓不倒中国共产党人。7月上旬，党中央根据共产国际的指示，成立了周恩来等9人组成的中央临时常委会，代行中央政治局的职权。临时中央派李立三、恽代英、邓中夏等一部分中央负责同志和大批共产党员、共青团员前往江西九江、南昌，到叶挺、贺龙部组织革命力量，南征广东，重建革命根据地。
恽代英等到达九江后，形势突变，国民革命军第二方面军总指挥张发奎在汪精卫的拉拢下，决意“清共”。在这紧要关头，恽代英和邓中夏、李立三等商议，并征得瞿秋白的同意，向临时中央建议，在南昌举行暴动。
临时中央常委会同意在南昌举行暴动，并派周恩来赴南昌，组成以周恩来为书记，恽代英、李立三、彭湃、谭平山为委员的前敌委员会。
8月1日凌晨，南昌起义取得了胜利，建立了革命政权——革命委员会，恽代英为革命委员会成员。
南昌起义失败后，恽代英历尽千辛万苦，于9月下旬到达香港。10月15日，张太雷在香港主持召开南方局与广东省委联席会议，改选了广东省委，张太雷仍然担任书记，恽代英被选为省委常委。11月26日，广东省委正式作出在广州发动工农兵武装起义的决定。
12月11日凌晨3时30分，张太雷、恽代英、叶剑英等领导的广州起义取得了胜利。当天，中国第一个苏维埃政权——广州苏维埃政府诞生，恽代英担任苏维埃政府秘书长。
广州起义在反动派和帝国主义联合进攻下失败了。但恽代英没有灰心丧气，他对周围的同志说：“世界上没有一帆风顺的革命，挫折是不可避免的，要经得起挫折。只有不怕失败的人才是能取得胜利的人。”“俗话说，‘秀才造反，3年不成’，假如我们造30年反，决不会一事无成的。”“我们的理想社会主义、共产主义实现了，那时世界多么美妙，也许那时年轻人不易领会我们走过难以令人设想的崎岖道路，
我们吃尽了苦中苦，而我们的后一代则可以享到福中福。为了最崇高的理想——共产主义，我们是舍得付出一切代价的。”
广州起义失败后，恽代英退到香港。
1928年6月，恽代英从香港赴广西贵县，作为党中央的代表出席了中共广西省第一次代表大会。同年秋，恽代英奉命从香港调到上海党中央组织部任秘书，协助部长周恩来工作。
1929年初，恽代英任党中央宣传部秘书长，负责编辑党刊《红旗》。1930年中共福建省委在厦门召开第二次代表会议，恽代英代表党中央出席了会议。会后，他视察了闽西苏区。这时，党中央的领导人李立三推行“左”倾路线，主张全国暴动。恽代英对李立三的“左”倾盲动错误进行了批评和抵制，遭到李立三的打击，先后调恽代英任沪中区、沪东区行动委员会书记。他住在贫民窟，身着工人装，在工人群众中进行工作。
5月6日下午，恽代英在杨树浦韬朋路附近的老怡和纱厂门前等人联系工作时不幸被捕。为了掩护自己的身份，他化名叫王作霖。敌人将他押至巡捕房，巡捕三番五次的毒打，他坚不吐实。次日，恽代英被上海公安局引渡，并以共产党嫌疑关押在龙华国民党警备司令部看守所内。他仍然坚持假口供，敌人无可奈何，6月初只好将他转押到漕河泾监狱，不久，以“工人擅自开会有罪”判了他5年徒刑。监狱中生活极其恶劣，连霉米饭都吃不饱，里面还夹杂着石子、砂子、稗子；开水也不够喝，见不到阳光，呼吸不到新鲜空气。为了改善狱中生活，反抗虐待，恽代英组织难友们开展斗争。“八一”南昌起义纪念日时，恽代英用亲身经历向难友们讲述了起义的经过和经验教训。
8月27日，恽代英被押解到苏州监狱。次年2月，又转押到南京江东门外中央军人监狱关押。监狱非人的生活和疾病的折磨，使他身体十分虚弱，但他始终保持旺盛的斗争精神。他经常对难友进行革命气节教育，他说：“对一个革命者来讲，战场固然是考验，而监狱也是一个特殊的战场。一个真正的革命者，在这个特殊战场上，在生死面前，要经受得起严峻的考验。”他用通俗易懂的语言编写了一本解释党的“十大纲领”的工人读本。他还写下了这样一首气吞山河的《狱中诗》。
恽代英被捕后，党组织设法营救，就在他即将被提前释放时，被叛徒顾顺章出卖。蒋介石急令军法司司长王震南到狱中核对。4月28日，王震南拿着恽代英在黄埔军校的照片来到监狱。恽代英知道自己的身份已经暴露，轻蔑而自豪地说：“我就是恽代英!”王震南劝降失败，下令将代英加上镣铐，关进单人牢房。
蒋介石闻讯后，亲手下令：立即就地处决！4月29日中午12时，敌人将恽代英从牢房押往狱中刑场。恽代英神色坦然，昂首挺胸，沿途高唱《国际歌》。临刑前，面对执行的刽子手，恽代英发表了慷慨激昂的演说。刽子手的枪声响了，恽代英身中数弹，倒在血泊中壮烈牺牲。