陈延年还十分重视黄埔军校中党的工作。１９２５年１月，黄埔军校第二期学员入学后，党员人数有所增加，周恩来和陈延年遂决定将学生中原党支部扩大为中共黄埔军校特别支部，直属广东区委领导。同时成立了以共产党员蒋先云、陈赓、左权等为骨干的青年军人联合会，以团结左派革命军人。同年１１月，周恩来和陈延年在征得孙中山同意后，决定组建海陆军大元帅府铁甲车队。为保证党对这支革命武装的领导，周恩来、陈延年从黄埔军校毕业生中抽调一批共产党员到铁甲车队工作，并动员一批工人农民和进步青年到铁甲车队当兵，使铁甲车队实际上成为我党掌握的第一支革命武装。１９２５年１１月，在铁甲车队的基础上，周恩来、陈延年等商定，从黄埔军校毕业生中再抽调一批共产党员和共青团员作为骨干，建立了著名的叶挺独立团。

    上海五卅惨案发生的第二天，陈延年主持召开广州市党团员大会，决定迅速发动群众进行反帝斗争，声援上海人民。随后，陈延年又主持广东区委会议，决定发动香港和广州沙面租界工人大罢工。１９２５年６月，由中共广东区委陈延年、苏兆征、邓中夏等领导的震惊中外的省港大罢工开始了。省港大罢工共坚持了１６个月，直到１９２６年１０月胜利结束。

    在国共合作的大革命中，以陈独秀为首的党中央对国民党右派的进攻，采取了妥协退让政策。陈延年坚决反对，他以中共广东区委的名义报告党中央，要求中央坚决抛弃对国民党右派的妥协退让政策，并表示虽然自己和陈独秀是父子关系，“但我是共产党员，我坚决反对妥协退让的右倾机会主义错误”。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。陈延年虽未能出席党的第五次全国代表大会，但是仍被大会选为中央委员和政治局候补委员。

    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。在极为严重的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，恢复和重建党的组织，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。敌人无计可施，从他身上得不到任何东西，遂残忍地将他杀害。陈延年牺牲时年仅２９岁。