Năm 1941, ông bị chính quyền Pháp bắt giam và bị kết án 10 năm tù, giam tại Hỏa Lò. Ngày 9 tháng 3 năm 1945, nhân sự kiện Nhật đảo chính Pháp, Đỗ Mười vượt ngục, sau đó bắt liên lạc và tham gia Ban khởi nghĩa Tỉnh ủy Hà Đông phụ trách phong trào cách mạng huyện Ứng Hoà và Mỹ Đức. Trong Tổng khởi nghĩa tháng Tám, ông phụ trách khởi nghĩa tỉnh Hà Đông.