1928年秋，惲代英奉命從香港調到上海黨中央組織部任秘書，協助部長周恩來工作，1929年初，任黨中央宣傳部秘書長，負責編輯中共中央機關刊物《紅旗》，6月在中共六屆二中全會上被補選為中央委員。

1930年4月，惲代英被調離中央，先后擔任中共滬中區、滬東區行動委員會書記。于是，他搬進上海閘北貧民窟，換上工人裝束，奔走出入于上海楊樹浦的各個工廠，在基層領導工人斗爭。

大革命失敗后，由于參加領導了南昌起義和廣州起義，惲代英成為蔣介石重賞緝拿的中共要人之一。1930年5月6日下午，惲代英到上海楊樹浦韜明路老怡和紗廠門前聯系工作時，突然遇到巡捕的盤查。他雖然穿著打扮與窮苦工人無異，但戴著眼鏡和手表，還配有自來水筆，引起了巡捕的懷疑。巡捕隨后又在惲代英身旁搜到一包宣傳品和文件，便將他押回公共租界老閘巡捕房關押。次日，巡捕房以“共產黨嫌疑犯”名義，將他移交給上海公安局，繼而送至淞滬警備司令部軍法處龍華看守所。6月3日，惲代英被押解到江蘇第二監獄；8月27日，他又被轉押到“重刑犯的高警戒等級監獄”———蘇州監獄。

期間，惲代英雖然被打得遍體鱗傷，但堅稱名叫“王作霖”，身份是從武昌來上海做生意的買賣人。國民黨軍警由于沒有查出什么重要文件，沒有掌握什么重要證據，便把惲代英當成“普通工運活動分子”，以“工人擅自開會有罪”為名，判其有期徒刑5年，于1931年2月轉押至國民政府軍政部陸軍署軍法司設立和管轄的南京中央軍人監獄服刑。為了改善獄中生活，反抗虐待，惲代英組織難友們開展斗爭，還用通俗易懂的語言編寫了一本解釋中共“十大綱領”的工人讀本教難友們閱讀。

惲代英被捕之初，中共方面便開展了積極的營救工作。1930年8月，從蘇聯回國至滬的周恩來得悉惲代英被捕的消息后，立即向中共中央提出，要不惜任何代價救出惲代英，并立即進行了多方活動。在周恩來等人的指揮下，中央特科情報科科長陳賡，利用江蘇省高等法院法官的關系，使惲代英的所謂徒刑，由5年減為幾個月，到1931年5月份即可取保獲釋。同時，中央特科也把消息設法通知了獄中的惲代英，要他做好出獄準備。

然而，就在惲代英即將出獄的時候，主持中央特科具體工作的顧順章被捕叛變，出賣了惲代英。4月28日，國民黨軍政部陸軍署軍法司司長王震南（蔣介石之母王采玉的堂侄）拿著惲代英在黃埔軍校時的照片來監獄辨認。惲代英見身份已暴露，便不再隱瞞，承認自己就是惲代英，并大義凜然地拒絕了王震南高官厚祿的勸降。

蔣介石聞訊后，親自下令：立即就地處決。4月29日中午12時，惲代英從牢房被押往獄中操場。惲代英神色坦然，昂首挺胸，沿途高唱《國際歌》。臨刑前，他面對執行的劊子手發表了慷慨激昂的演說，并高呼口號，英勇就義，年僅36歲。