中国共产党成立后，李大钊负责党在北方的全面工作，并任中国劳动组合书记部北方区分部主任。在党的三大和四大上，李大钊都当选为中央委员。１９２２年到１９２４年初，李大钊频繁地奔走于大江南北，多次代表共产党与孙中山会谈，为建立革命统一战线呕心沥血，做了大量工作。１９２４年１月，李大钊作为大会主席团五位成员之一，出席了国共合作的国民党第一次全国代表大会，被孙中山指定为大会主席团成员之一，参加大会宣言的起草等，为实现国共合作做出了重要贡献，当选为国民党中央执委会委员。此后，直接担负国共两党在北方的实际领导工作。
在李大钊领导的中共北方区委组织和领导下，北方地区的反帝反封建斗争蓬蓬勃勃地开展起来了。１９２４年１１月，北京开展声势浩大的支持孙中山北上、反对北洋军阀政府的斗争；１９２５年五卅运动爆发后，李大钊与赵世炎等人在北京组织５万余人的示威，有力地支持了上海人民的反帝斗争；１９２６年３月，李大钊在极端危险和困难的情况下，积极领导并亲自参加了北京反对帝国主义和北洋军阀的三一八运动，号召人们用五四的精神、五卅的热血，不分界限地联合起来，反抗帝国主义的联合进攻，反对军阀的卖国行为。
李大钊的革命活动，遭到北洋军阀的仇视，他们下令通缉李大钊。１９２７年４月６日，奉系军阀张作霖勾结帝国主义。在北京逮捕李大钊等８０余人。在狱中，李大钊备受酷刑，但始终严守党的秘密，大义凛然，坚贞不屈。４月２８日，北洋军阀政府不顾社会舆论的强烈反对和谴责，将李大钊等２０位革命者绞杀在西交民巷京师看守所内。临刑前，李大钊慷慨激昂：“不能因为反动派今天绞死了我，就绞死了伟大的共产主义，共产主义在中国必然得到光辉的胜利”。他高呼“共产党万岁！”英勇就义，时年３８岁。
李大钊牺牲后，１９３３年由党在白区的秘密组织将其安葬在万安公墓内。新中国建立后，在河北乐亭、北京等李大钊生活和战斗过的地方相继建立了李大钊的纪念馆。１９８３年１０月，李大钊烈士陵园在北京万安公墓建成，中共中央领导亲自参加，举行了隆重的落成典礼。
２００９年９月１０日，在中央宣传部、中央组织部、中央统战部、中央文献研究室、中央党史研究室、民政部、人力资源社会保障部、全国总工会、共青团中央、全国妇联、解放军总政治部等１１个部门联合组织的“１００位为新中国成立作出突出贡献的英雄模范人物和１００位新中国成立以来感动中国人物”评选活动中，李大钊被评为“１００位为新中国成立作出突出贡献的英雄模范人物”。
