中共“三大”后，以个人身份加入国民党，参加组建国民党山东省党部委青岛市党部工作。1925年2月，组织领导青岛胶济铁路工人大罢工，成立了胶济铁路总工会。1925年4～5月，又组织领导了青岛纱厂工人大罢工，成为“五卅运动”的先导。他还参与领导了四方机厂的工人大罢工和青岛全市工人大罢工，组织成立青岛市各界联合会和市总工会。在斗争中，他充分发挥了组织和领导才能，使罢工取得了全面的胜利。1925年8月，他调到中共山东地区执行委员会任书记。1925年11月，山东地区委员会机关被敌人破坏，他被捕入狱，遭残酷折磨。后因患肺结核，经党组织多方营救，得以保外就医。1926年6月，他又再次秘密回到青岛，担任中共青岛市委书记，主持市委工作。 1927年4月，邓恩铭赴武汉出席中国共产党第五次全国代表大会，他到武汉向中央汇报工作，并到毛泽东举办的“农民运动讲习所”讲课，介绍山东工运、农运情况。1927年8月回山东后，任中共山东省执行委员会书记。 大革命失败后，邓恩铭辗转山东各地青岛和济南之间，领导党组织开展斗争。1929年1月19日，因叛徒告密，省委机关遭破坏，邓恩铭在济南第二次被捕。他在法庭上和监狱里同敌人作了英勇的斗争，并组织领导了两次越狱斗争，第一次是1929年4月19日晚上，只有杨一辰一人逃出；第二次是7月21日晚饭后，在地下党的接应下，6人冲出监狱，他却因受刑过重，体弱多病，行动困难，被敌捕回打入死牢。反动派对他恨之入骨，面对敌人酷刑，邓恩铭依旧大义凛然、坚贞不屈。1931年4月5日，与刘谦初、吴丽实等22位共产党员一起被国民党山东当局枪杀于济南纬八路刑场，时年30岁。
历史不会忘记，人民也不会忘记这个伟大而光辉的名字：邓恩铭！这个名字与山河共存，与日月同辉！