1926年4月，直系军阀吴佩孚由反奉转而与奉系勾结，造成奉直合作反国民军的形势，国民军被迫全军退守南口一带。奉系军阀占据北京后，也把镇压共产党作为首要任务，到处张贴告示“宣传赤化，主张共产，不分首从，一律死刑”。4月26日，他们杀害了进步报纸《京报》的主笔邵飘萍。接着又处决了另一家进步报纸的主笔林白水。在直奉军阀的残暴统治下，北方的革命运动转入了低潮。为了保存革命力量，李大钊和中共北方区委做了暂时的退却，他们住进了东交民巷苏联大使馆内的旧兵营，由公开转入地下，继续领导北方的革命斗争，并取得很大成绩。仅北京一地，从1926年3月至1927年2月，中共党员就由300多人发展到1000人以上。共青团的组织发展得更快。当时正值国共第一次合作，李大钊同时兼任中国国民党北京特别市党部的领导，在这一时期，国民党党员也由2200余人发展到4300余人。就是在张作霖的“大帅府”里，也建立了中共地下党支部，由董季皋任支部书记，他的公开身份则是张作霖大帅府秘书。由于李大钊的革命活动直接威胁着北洋军阀的反动统治，所以从1923年“二七大罢工”失败后，他就多次被反动政府通缉。在这种异常艰苦和险恶的环境里，李大钊毫不畏惧，始终充满了革命乐观主义精神和革命必胜的信念。李大钊的表姑曾经问他：“你们老搞这事，也不怕吗？人家那样厉害，兵权在手，今日赶，明日捉，把你们从这儿赶到那儿，你们不是自讨苦吃吗？”李大钊答道：“他们就好比是一堵墙，我们捣来捣去，总会把这堵墙给捣垮的。”又说：“怕什么！早晚我们是要胜利的。我们的主义，就像庄稼人的种子一样，到处都撒遍了，他们是破坏不了的。他们破坏了这儿，还有那儿长起来，没有关系。”
1927年初，隐蔽在张作霖大帅府里的地下党支部得悉，张作霖下令逮捕李大钊。京师警察厅也与帝国主义相勾结，对李大钊及其他革命者跟踪侦察，图谋一网打尽，妄图消灭京师的革命力量。董季皋和其他知情的同志与朋友都劝李大钊离开北京。李大钊的夫人赵纫兰也很为李大钊的安全担心，多次劝说他离开，但李大钊态度坚决地说：“我不是常对你说，我是不能轻易离开北京的，假如我走了，北京工作留给谁做？……你要知道现在是什么时候，这里的工作是怎样重要，哪里能离开呢？”他让许多同志化装转移，而自己却留下来坚持工作，坚持斗争。李大钊的这种不顾个人安危，以革命大局为重的大无畏精神，深深地教育了他周围的同志。例如在李大钊身边工作的谭祖尧，他的未婚妻的父亲在北洋政府供职，知道张作霖要对共产党人下毒手，就让女儿转告谭祖尧，让他躲避一下，并准备为其在广州代谋一事。谭祖尧回复说：“干革命就不能怕死，我宁为玉碎，不为瓦全。我坚决跟李先生干革命、决不回头，只要李先生不离开北京，我也不离开北京。”谭祖尧与李大钊始终在北京坚持斗争，直到一同被害。
1927年初春，不知什么人推荐了一个勤杂工。这人经常鬼头鬼脑地东张西望，李大钊觉察后，第二天就把他打发走了。这个人确实是反动政府派来的暗探。敌人知道李大钊的确切地址，更加紧了反革命的部署。局势越来越严重，李大钊对此作了充分准备，他托人买了两支手枪，以应付随时可能发生的意外，并烧毁了一些文件。
4月6日，这一天正好是清明节，天气温暖，风和日丽。一早起来，李夫人便带着小女儿外出散步去了，李大钊则伏在办公室桌前办公。突然，“啪”的一声尖锐的枪声传来，紧接着院子里响起了纷乱的脚步声、喊叫声……李大钊知道出事了，他不慌不忙地从抽屉里取出了手枪，走出院子，来到院外一间僻静的小屋里，镇静地坐在椅子上，手里紧握着那支发亮的小手枪。一会儿，宪兵、军警沉重的皮鞋声跟踪而至。“不要放走一个！”随着粗暴的吼声，一群宪兵、军警和特务冲进小屋，十几支黑洞洞的枪口对准李大钊，敌人夺去了李大钊手中的枪，并把他全身上下、里里外外搜了一遍。李大钊始终神情自若，轻蔑地望着匪徒。敌人见没有搜到什么东西，就把李大钊绑起来带走了。这一天同时被捕的还有80余名共产党人和进步人士及李大钊的夫人和两个女儿。
李大钊被捕后，多次被审讯、敌人用尽了种种酷刑、威胁和利诱，把竹签扎进他的指甲缝里，最后剥去了他双手的指甲。李大钊始终大义凛然，坚贞不屈，他没有一句有损党的荣誉、有损革命利益的“供词”，没有向敌人泄露党的任何机密。连当时敌人的报纸也不得不说，李大钊受审时“精神甚为焕发，态度极为镇静，自承为马克思学说之崇信者，故加入共产党，对于其他之一切行为则谓概不知之，关防甚严”。敌人无可奈何地向报界承认“李无确供”。敌人威逼利诱兼施。张作霖的总参议杨宇霆亲自前来劝降，妄图用高官厚禄来收买李大钊。李大钊严词答道：大丈夫生于世间，宁可粗布以御寒，安步以当车，就是断头流血，也要保持民族的气节，绝不能为了锦衣玉食，就去向卖国军阀讨残羹剩饭，做无耻的帮凶和奴才！面对李大钊的凛然正气，敌人只得灰溜溜的收场。
李大钊的被捕，在社会上引起了极大的震动，也引起了当时的苏联政府和苏联人民的抗议。莫斯科人民举行游行示威，在列宁格勒、海参崴等城市也召开了群众大会。在国内，北方铁路工人提出要劫狱，营救李大钊，并组织了劫狱队。教育界、学者、名流和李大钊的同乡，均起而营救。京津“各报社评，皆暗为守常呼吁”。4月9日，北京九所国立大学的校长讨论营救办法。12日，北京国立、私立共25所大学的校长又进一步讨论营救办法。但是当李大钊得悉后，坚决反对、制止。他说：“我个人为革命、为党而牺牲，是光荣而应当，且已经是党的损失……我不能再要同志们来作冒险事业，而耗费革命力量，现在你们应当保守我们的力量……不要使革命力量再遭损失。”在这生死攸关头的严重时刻，李大钊依然念念不忘的是如何保存革命力量，而全然不顾个人的安危。他在狱中自述里豪迈地说：“钊自束发受书，即矢志努力于民族解放之事业，实践其所信，历行其所知，为功为罪所不暇计。”为了开脱同案人员，他还写道：“倘因此而重获罪戾，则钊实当负其全责，惟望当局对于此等爱国青年，宽大处理，不事株连，则钊感且不尽矣。”反动的奉系军阀政府见种种手段都不能使李大钊屈服，便不顾社会舆论的强烈谴责和人民群众的强烈反对，对李大钊及其他19位革命志士下了毒手。
1927年4月28日，对李大钊等20名革命志士的秘密审判于上午11时在警察厅正式开庭，至12时10分始毕。然后由军车4辆押送至西交民巷京师看守所，执行死刑。当时在门前围观的人很多，街道都被堵塞了。行刑用的新式绞刑机据说也是反动政府从美国运来的。李大钊神色未变，从容地首先走上绞刑台，他要求讲话，敌人不允许，他就大声叫喊，准备用生命的最后一刻来继续唤起民众。但是执刑的人蛮横地向他脸上挥拳，并把他推进一个发亮的金属制的长方形架子中，架子的上边正中有一个小圆圈正卡在颈中，旁边有一把柄，刽子手握住把柄，逐渐绞下去。刽子手松开把柄，将李大钊拖出，围绕刑台走了一圈，然后用冷水往李大钊脸上喷，等他苏醒过来，又开始第二次绞刑，共继续了三次，施刑长达四十分钟之久。刽子手们就用这种惨无人道、灭绝人寰的手段杀害了李大钊。紧接着范鸿吉力、谭祖尧等19位革命志士也都献出了宝贵的生命。刽子手们将尸体装入棺中，停放在宣武门外下斜街的长椿寺中，待家属、亲戚来认领。李大钊的夫人赵纫兰在朋友们的募捐支持下，买了一口棺材，将烈士重新装殓，把灵柩移放至妙光阁街的浙寺里。
李大钊牺牲的噩耗传来，中国共产党和革命人民以及各界进步人士无不为之深切哀悼。中国共产党的机关报《向导》周报发表的《悼李大钊》的文章指出，他“是创立中国共产党之一人”，“是最勇敢的战士”，并将为中国人民所“牢记不忘”。中共中央和湖北省委联合在武昌举行了隆重的追悼大会，有近万名同志参加。武汉国民政府也举行了隆重的追悼会和报告会。李大钊生前曾对冯玉祥将军及其国民军作过许多帮助和指导，李大钊牺牲时，冯玉祥正率国民军参加北伐东进，至潼关时，惊悉噩耗，全军官兵无不悲愤泣下。冯将军当即电令全军官兵人人戴孝以志哀悼，并称李大钊烈士是“中国自五四运动以来新思想界的泰斗”，是“在北方指导国民革命运动最忠实、最努力和最有力之领袖”。
李大钊就是这样走完了人生旅途的最后一刻，他死的壮烈，死得其所。他用自己的鲜血唤起了更多人的觉醒。
