同时，李大钊还鼓励赵世炎独当一面，去领导学生运动。因此在五四运动期间，赵世炎被一致推选为学生队伍中的核心领导成员，就连毛主席都感叹说：“四川的同志中，赵世炎影响最深。”

为了进一步加强自己的革命理论学习，赵世炎不惜千辛万苦远赴法国和苏联求学，由于经费不足，只能半工半读。即便如此，赵世炎的革命热情始终没有削减半分，反而成为巴黎华工运动的领导者，先后发起了拒绝巴黎和会赔款、攻占里昂中法大学等等运动。

1922年，赵世炎与周恩来等人一同创办了旅欧中国少年共产党，并被推选为书记。在工作中，赵世炎跟周恩来结下了深厚的革命友谊，也为后来二人联手领导上海工人运动打下了基础。

直到1924年，赵世炎才回国，协助李大钊开展革命工作，后来又去上海领导工人运动，成为当时著名的工人运动领袖，并在中共五大中被推选为中央委员。