表团北上武汉。4月上旬，党中央政治局在武汉召开会议（时陈独秀在上海，未参加），研究上海及江浙区的工作。会议通过以反蒋为中心内容的中央关于沪区工作的决议案，并决定派他与李立三、聂荣臻和国际代表维经斯基赴上海，组织特务委员会，讨论江浙区委贯彻中央决议案的具体计划。4月13日，他途经南京时，即获悉蒋介石准备在上海公开屠杀共产党人和革命群众。他怀着极大的愤怒，连夜乘火车赶往上海。几经周折，找到江浙区委罗亦农、赵世炎等人。4月与李立三、周恩来召开研究“四一二”反革命政变后的对策的紧急会议，和与会同志在会后共同签署《致党中央意见书》，建议敦促武汉政府出师讨伐蒋介石，批评以陈独秀为首的党中央的右倾机会主义错误。不久，接任中共江浙区委书记。4月底，中央“五大”开幕，他因上海工作需要未能出席，被选为党中央委员和政治局候补委员。1927年6月，党中央决定撤销江浙区委，分别成立江苏省委和浙江省委。6月26日上午，江苏省委在上海北四川路施高塔路恒丰里104号（今山阴路恒丰里90号）召开会议，他被任命为中共江苏省委书记。会议正在进行中，不料，被军警包围。为掩护其他同志脱险，他以桌椅板凳为武器，与冲入房内的军警搏斗，终因寡不敌众，不幸被捕。
1927年7月4日晚，国民党反动军警将他秘密押赴刑场，面对敌人的屠刀，他昂首挺胸，视死如归。敌人喝令他跪下，他巍然屹立，毫不理会。几个敌人强把他按下去。但敌人刚一松手，这位革命者一跃而起。敌人恼羞成怒 ，再一次将他强按在地，以乱刀残忍地将他砍死。陈延年壮烈牺牲在上海龙华。