1930年7月，邓中夏从莫斯科回到上海。不久，中央任命他为中央代表赴湘鄂西根据地，任湘鄂西特委书记、红二军团(后改为红三军)政委、前敌委员会书记、中央革命军事委员会委员，与贺龙、周逸群一起领导湘鄂西的武装斗争。1932年调回上海坚持秘密斗争，任全国赤色互济总会主任兼党团书记。

1933年5月，邓中夏在上海工作时被捕，随即被叛徒供出身份。蒋介石闻讯后亲自过问，并令立即将邓中夏押往南京国民党宪兵司令部监狱。在狱中，他以共产党员的坚定信念和钢铁意志，挺住了敌人金钱厚禄的利诱和严刑拷打的摧残。他对狱中地下党支部负责人说：“请告诉大家，就是把邓中夏的骨头烧成灰，邓中夏还是共产党员。”

1933年9月21日，在南京雨花台刑场，邓中夏高呼着“打倒国民党反动派！”“中国共产党万岁！”“全世界无产阶级联合起来！”英勇就义，时年39岁。