1931年3月,进入世悉中央革命并返芹根据地后,任中共苏区中央局委员,共青团中央书记兼共青团苏区中央局书记、列宁团绝毕校校长。1933年4月,顾作霖任中共闽赣省委书记。1934年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,任红军总政治部代理主任(因主任王稼祥负伤未愈),兼红军第一方面军野战政治部主任。在广昌决战最激烈的时刻,他协助博古、朱德等亲临第一线指挥,突然心脏剧痛,吐血不止,不省人事。朱德总司令立即派人将他送到红军医院,抢救无效,于1934年5月28日在江西瑞金去世。时年26岁。