1934年中共六届五中全会上当选为中共中央委员、政治局委员。1934年1月，在第二次全国苏维埃代表大会上当选为第二届苏维埃中央执行委员会委员。会后，任中国工农红军总政治部代理主任兼红一方面军野战政治部主任。1934年5月，国军大举进攻广昌县，顾作霖与博古、朱德等亲临前线督战。顾作霖此时突然发病，送回瑞金后医治无效，于1934年5月28日去世。