出席中共一大会议后，从1921年9月起，陈潭秋任中国劳动组合书记部武汉分部负责人、中共武汉地方委员会委员、中共武汉区执委委员长、组织委员。1923发动和领导京汉铁路工人大罢工，后在安源从事工人运动和建党工作。第一次国共合作期间，他参加中国国民党湖北省党部的筹建工作，任国民党湖北省执委会组织部部长。
大革命失败后，他从1927年10月起任中共江西省委书记。1928年起任中共中央组织部秘书、中共顺直省委常委。1929年8月按中共中央指示到青岛组成中共山东临时省委并改组市委。之后巡视满洲省委的工作，组建哈尔滨新市委。1930年，陈潭秋在哈尔滨被捕。1932年7 月被党组织营救出狱后，任中共江苏省委秘书长。1933年初，他和谢觉哉打扮成商人，潜入江西中央革命根据地。后出任中共福建省委书记。1934年2月当选为中华苏维埃共和国第二届中央执委会委员、中央执委会人民委员会粮食人民委员，任中华苏维埃共和国中央政府粮食部部长。
1934年10月，中央红军主力长征后，他奉命留在根据地坚持游击战争。战斗中，他头部负重伤，被送到上海治。基本痊愈后，与陈云等一起前往苏联，出席共产国际第七次代表大会。此后，他作为中共驻共产国际代表团成员，留在莫斯科工作。
1936年7月，中共诞生十五周年。作为中共一大代表，他写了《第一次代表大会的回忆》，发表在1936年《共产国际》第七卷第四、五期合刊上。为中国共产党一大会议保留了一份十分宝贵的文献。
1939年5月，陈潭秋奉命回国，1939年6月至1943年2月任中共驻新疆代表，1939年6月至1942年9月任八路军驻新疆办事处负责人。1939年9月，任中共中央驻新疆代表和八路军驻新疆办事处负责人。盛世才公开走上反苏反共道路后，党中央决定在新疆工作的共产党员全部撤离。陈潭秋把自己列入最后一批，表示：“只要还有一个同志，我就不能走。”
1942年9月17日，盛世才以“督办请谈话”的名义把陈潭秋骗去后予以软禁。当天，中共在新疆的工作人员及家属一百多人，也被软禁。1943年9月27日夜里，被秘密地用麻绳勒死于迪化（即今乌鲁木齐）。这一年，他47岁！
同时被用绳索勒死的还有毛泽东的胞弟——毛泽民等。
