只可惜，蒋介石1927年发动了“四一二”反革命政变，上海的共产党人首当其冲，赵世炎也处境危险。同年7月，赵世炎的住址被国民党特务包围，不幸被捕。

据说，在被特务包围的时候，赵世炎当时并不在家，他的妻子故意把花盆扔下窗户，警告赵世炎不要进家门，然而，恰逢当天风雨大作，赵世炎并没有注意到破碎的花盆，结果一回到家中，就被埋伏的特务抓住了。

被捕后，面对反动派的威逼利诱，赵世炎始终咬紧牙关，没有吐露我党的半点秘密，最后于1927年7月19日英勇就义，年仅26岁。

在就义前，赵世炎对着刽子手们慷慨陈词：“志士不辞牺牲，革命的种子已经遍布大江南北，一定会茁壮成长起来，共产党人必将取得胜利！”

吴玉章先生写诗纪念道：“龙华授首见丹心，浩气如虹烁古今。千树桃花凝赤血，工人万代仰施英。”诗中的“施英”，就是赵世炎的笔名。