Năm 1926, anh được tổ chức cử sang Quảng Châu (Trung Quốc) học tập và hoạt động trong nhóm “Thiếu niên Tiền phong Việt Nam” do Nguyễn Ái Quốc lãnh đạo. Sau đó, anh trở về nước hoạt động tại Sài Gòn, giữ vai trò liên lạc, vận động thanh niên và xây dựng tổ chức Đoàn.
Ngày 8/2/1931, trong buổi mít tinh kỷ niệm khởi nghĩa Yên Bái, để bảo vệ một cán bộ Đảng, anh rút súng bắn chết mật thám Pháp và bị bắt. Dù bị tra tấn dã man, anh vẫn kiên trung không khai báo. Trước tòa án thực dân, anh dõng dạc tuyên bố:
"Con đường của thanh niên chỉ là con đường cách mạng, không thể có con đường nào khác!"
Ngày 21/11/1931, thực dân Pháp lén lút xử chém anh trong khám lớn Sài Gòn. Trước lúc hy sinh, anh hiên ngang hô vang khẩu hiệu cách mạng và hát bài Quốc tế ca.
Cuộc đời ngắn ngủi nhưng rực rỡ của Lý Tự Trọng đã trở thành biểu tượng kiên trung của tuổi trẻ Việt Nam, là nguồn cảm hứng bất diệt cho các thế hệ đoàn viên, thanh niên noi theo.