全会上被补选为中央委员。但因反对左倾错误而下到基层，任中共上海沪东区委书记。1930年5月6日，在沪东杨树浦怡和纱厂门前被捕，先关押在龙华看守所，后于1931年2月被押往南京江东门外国民党中央军人监狱。起初他未暴露身份，正当他即将被营救出狱之时，被顾顺章指认出卖。蒋介石派人劝降未果后，4月29日将其枪决于南京军人监狱。恽代英死前在狱中留有就义诗一首：“浪迹江湖忆旧游，故人生死各千秋。已摈忧患寻常事，留得豪情作楚囚。”