1924年，應李大釗要求，趙世炎回國工作。他先后任中共北京地方執(zhí)委會委員長、中共北方區(qū)執(zhí)委會宣傳部部長兼職工運動委員會主任，協(xié)助李大釗領導北方各省的斗爭。1925年5月30日，上海發(fā)生帝國主義屠殺中國人民的五卅慘案。慘案發(fā)生后，北京人民在中共北方區(qū)委趙世炎等人領導和組織下，立即行動起來，舉行游行、罷工、罷課，聲援上海人民的斗爭。隨后，李大釗派趙世炎等人到天津、唐山等地去加強領導，先后組織和發(fā)動天津日商紗廠工人大罷工、開灤五礦工人大罷工、天津海員大罷工和趙各莊礦工人大罷工，使北方地區(qū)的聲援活動和群眾斗爭連成一片，沉重打擊了帝國主義和反動軍閥。

1925年10月，在內蒙古地區(qū)農工兵大同盟代表大會上，趙世炎當選為大同盟中央委員會副書記。為了推動蒙古地區(qū)的革命工作和培養(yǎng)蒙古族干部，他和李大釗(任書記)、鄧中夏等經常到蒙藏專門學校進行宣傳和組織工作。在他們的培養(yǎng)和教育下，最早一批向往革命真理的蒙古族青年烏蘭夫、奎壁、吉雅泰參加了中國共產黨，為后來開展內蒙古地區(qū)的革命斗爭準備了骨干。

1926年3月，趙世炎出席在廣州召開的第三次全國勞動代表大會。會后，為加強江浙地區(qū)的工作，黨中央任命趙世炎擔任中共江浙區(qū)委(包括江蘇、浙江、安徽三省和上海市)組織部部長、上海總工會黨團書記，并兼任江浙區(qū)委軍委書記。趙世炎化名“施英”，到上海后就深入到工人群眾中，了解情況，組織工人罷工斗爭，準備武裝起義迎接北伐軍。他號召社會各界群眾發(fā)揚五卅精神，聯(lián)合起來，組成革命的統(tǒng)一戰(zhàn)線，以對付帝國主義的屠殺和進攻。在中共江浙區(qū)委領導和組織下，從1926年6月到9月，上海各界工人的罷工斗爭此起彼伏，形成了聲勢浩大的有組織的工人運動新階段。

1926年10月，北伐軍攻克武漢，革命形勢進一步發(fā)展。上海黨組織為了配合北伐勝利進軍，決定舉行武裝起義，羅亦農、趙世炎是上海工人武裝起義的重要領導者。由于時機不成熟，上海工人的第一、二次武裝起義均告失敗。1927年3月21日，在陳獨秀、周恩來、羅亦農、趙世炎等領導和指揮下，上海工人舉行了第三次武裝起義。趙世炎身先士卒，他和周恩來一起指揮和帶領著150支槍的工人糾察隊，勇敢地沖鋒陷陣，向著直魯聯(lián)軍發(fā)起沖擊。經過30多個小時的激戰(zhàn)，打敗軍閥部隊，占領上海(外國控制的租界除外)。這是大革命時期中國工人運動的一次壯舉，為北伐軍在江浙戰(zhàn)場的勝利作出了重要貢獻。