1927年4月，蒋介石背叛革命，发动四一二反革命政变，大肆屠杀共产党人和革命群众，上海处在腥风血雨中。1927年5月，赵世炎出席在武汉召开的中共五大，当选为中央委员。会后，他任中共江苏省委常委、代理书记、上海总工会委员长，回到严重白色恐怖笼罩下的上海，以大无畏的革命气魄，继续坚持领导革命斗争。

由于叛徒出卖，1927年7月2日，赵世炎不幸被捕。他受尽严刑拷打，始终坚贞不屈。他把敌人的监狱和法庭当成讲坛，大义凛然地宣传党的主张和共产主义理想，揭露反动派的罪行。他慷慨激昂地说：“志士不辞牺牲，革命种子已经遍布大江南北，一定会茁壮成长起来，共产党必将取得胜利。”7月19日，敌人对他下了毒手。面对死亡威胁，他从容不迫，镇定自若，高呼着：“工农联合起来打倒新军阀蒋介石！”“中国共产党万岁！”的口号，在上海枫林桥畔英勇就义。

赵世炎的一生是短暂的，他将自己的全部青春年华和满腔热血献给了中国人民的解放事业，在中国革命史上写下了不朽篇章。今天，在赵世炎的家乡——重庆市酉阳土家族苗族自治县龙潭镇，建有赵世炎故居和烈士纪念馆，永远缅怀这位中国共产主义运动先驱者、工人运动的著名领袖。