1924年10月中共广东区委秘书兼组织部长。不久，接替周恩来任中共广东区委书记。1927年任中共江浙区委书记。4月27日中共五大召开，陈延年当选为中央委员、政治局候补委员。不久，任中共江苏省委书记。

陈延年非常重视建立和掌握革命武装，他和周恩来决定选派一批党团干部到黄埔军校学习，以培养军事干部。1924年11月，他协助周恩来建立以徐成章为队长的铁甲车队。1925年，以铁甲车队为基础，组建叶挺独立团。区委抽调有军事知识的干部副农会，扩大健全农民自卫军，把广州工团军改编为工人自卫队，建立省港罢工工人纠察队，这些由党直接指挥的革命武装，支援工农革命运动，保护了工农利益。后来叶挺独立团被派为北伐先遣队，工人纠察队和自卫队成为日后广州起义时赤卫队的骨干力量。1925年6月，陈延年和邓中夏、苏兆征等人领导了震惊中外的省港大罢工。

1927年4月，陈延年赴武汉参加党的五大时，中央任命他接任中共江浙区委书记，他当即转赴上海，途中上海发生“四一二”反革命政变。1927年6月，中共中央撤销江浙区委，分别成立江苏省委和浙江省委，陈延年任中共江苏省委书记。在白色恐怖笼罩下的上海，陈延年和赵世炎等不顾危险，部署工作，寻找失散的同志，恢复和重建党组织，积极开展斗争。6月26日，陈延年遭国民党军警逮捕。敌人为了得到上海中共党组织的秘密，对陈延年用尽酷刑，将他折磨得体无完肤，逼迫他供出上海党的组织。但陈延年以钢铁般的意志，严守党的机密，宁死不屈。

1927年7月4日晚，陈延年被国民党反动军警押赴刑场。刽子手喝令他跪下，他却高声回应：革命者光明磊落、视死如归，只有站着死，决不跪下！几个执刑士兵用暴力将其按下，松手挥刀时，不意陈延年又一跃而起，这一刀未砍着颈项，刽子手也差点吓得摔倒。最后，他竟被凶手们按在地上以乱刀残忍地杀害。