他是上海工人三次武装起义的主要领导人之一。在上海工人三次武装起义斗争中，他紧紧把握斗争方向，注意加强起义队伍的组织建设。在斗争遭到挫折时，及时总结经验教训。为组织好第三次武装起义，他和周恩来同志一起进行了周密的部署，并在斗争中身先士卒，冲锋陷阵，打败了反革命武装，在中国工人运动史上写下了辉煌的一页。

    武装起义成功后，蒋介石率北伐军进入上海，4月12日开始了反共屠杀，赵世炎等人转入地下。当时不断有人牺牲，也有意志不坚定者脱党和叛变，赵世炎每次主持江苏省委的会议时见来人越来越少，就一再鼓励大家要坚定信念。有的同志报告说路遇叛徒敲诈勒索，威胁不给钱就要去告密。赵世炎听后愤然表示：“绝不能给钱！以后遇到叛徒就要想法甩掉他，摆脱不了就找组织想法干掉他！”他提议建立工人秘密武装“红队”，以对付叛徒特务。在他牺牲不久后这一组织由周恩来组织起来，成为令叛徒敌特丧胆的“伍豪之剑”。

    蒋介石发动四一二反革命政变后，他领导广大上海工人群众继续坚持斗争。面对严重的白色恐怖，他临危不惧，坚定表示：“共产党就是战斗的党，……党存在一天就必须战斗一天，不愿意参加斗争，还算什么共产党员！”1927年5月在党的第五次全国代表大会上当选中央委员。他主编过党的内部刊物《政治生活》，撰写了70多篇宣传马克思主义、抨击时弊的文章，对提高党内的马克思主义思想政治水平发挥了重要作用。

    1927年7月2日，赵世炎不幸被捕。在凶残的敌人面前，他大义凛然，坚贞不屈，表现了共产党人大无畏的英雄主义气概。面对敌人的屠刀，高呼“中国共产党万岁”英勇就义，把26岁闪光的青春和满腔热血献给了中国人民的解放事业。