1927年4月，蔣介石背叛革命，發動四一二反革命政變，大肆屠殺共產黨人和革命群眾，上海處在腥風血雨中。1927年5月，趙世炎出席在武漢召開的中共五大，當選為中央委員。會后，他任中共江蘇省委常委、代理書記、上?？偣瘑T長，回到嚴重白色恐怖籠罩下的上海，以大無畏的革命氣魄，繼續堅持領導革命斗爭。

由于叛徒出賣，1927年7月2日，趙世炎不幸被捕。他受盡嚴刑拷打，始終堅貞不屈。他把敵人的監獄和法庭當成講壇，大義凜然地宣傳黨的主張和共產主義理想，揭露反動派的罪行。他慷慨激昂地說：“志士不辭犧牲，革命種子已經遍布大江南北，一定會茁壯成長起來，共產黨必將取得勝利?！?月19日，敵人對他下了毒手。面對死亡威脅，他從容不迫，鎮定自若，高呼著：“工農聯合起來打倒新軍閥蔣介石！”“中國共產黨萬歲！”的口號，在上海楓林橋畔英勇就義。

趙世炎的一生是短暫的，他將自己的全部青春年華和滿腔熱血獻給了中國人民的解放事業，在中國革命史上寫下了不朽篇章。今天，在趙世炎的家鄉——重慶市酉陽土家族苗族自治縣龍潭鎮，建有趙世炎故居和烈士紀念館，永遠緬懷這位中國共產主義運動先驅者、工人運動的著名領袖。