1924年，应李大钊要求，赵世炎回国工作。他先后任中共北京地方执委会委员长、中共北方区执委会宣传部部长兼职工运动委员会主任，协助李大钊领导北方各省的斗争。1925年5月30日，上海发生帝国主义屠杀中国人民的五卅惨案。惨案发生后，北京人民在中共北方区委赵世炎等人领导和组织下，立即行动起来，举行游行、罢工、罢课，声援上海人民的斗争。随后，李大钊派赵世炎等人到天津、唐山等地去加强领导，先后组织和发动天津日商纱厂工人大罢工、开滦五矿工人大罢工、天津海员大罢工和赵各庄矿工人大罢工，使北方地区的声援活动和群众斗争连成一片，沉重打击了帝国主义和反动军阀。

1925年10月，在内蒙古地区农工兵大同盟代表大会上，赵世炎当选为大同盟中央委员会副书记。为了推动蒙古地区的革命工作和培养蒙古族干部，他和李大钊(任书记)、邓中夏等经常到蒙藏专门学校进行宣传和组织工作。在他们的培养和教育下，最早一批向往革命真理的蒙古族青年乌兰夫、奎壁、吉雅泰参加了中国共产党，为后来开展内蒙古地区的革命斗争准备了骨干。

1926年3月，赵世炎出席在广州召开的第三次全国劳动代表大会。会后，为加强江浙地区的工作，党中央任命赵世炎担任中共江浙区委(包括江苏、浙江、安徽三省和上海市)组织部部长、上海总工会党团书记，并兼任江浙区委军委书记。赵世炎化名“施英”，到上海后就深入到工人群众中，了解情况，组织工人罢工斗争，准备武装起义迎接北伐军。他号召社会各界群众发扬五卅精神，联合起来，组成革命的统一战线，以对付帝国主义的屠杀和进攻。在中共江浙区委领导和组织下，从1926年6月到9月，上海各界工人的罢工斗争此起彼伏，形成了声势浩大的有组织的工人运动新阶段。

1926年10月，北伐军攻克武汉，革命形势进一步发展。上海党组织为了配合北伐胜利进军，决定举行武装起义，罗亦农、赵世炎是上海工人武装起义的重要领导者。由于时机不成熟，上海工人的第一、二次武装起义均告失败。1927年3月21日，在陈独秀、周恩来、罗亦农、赵世炎等领导和指挥下，上海工人举行了第三次武装起义。赵世炎身先士卒，他和周恩来一起指挥和带领着150支枪的工人纠察队，勇敢地冲锋陷阵，向着直鲁联军发起冲击。经过30多个小时的激战，打败军阀部队，占领上海(外国控制的租界除外)。这是大革命时期中国工人运动的一次壮举，为北伐军在江浙战场的胜利作出了重要贡献。