恽代英到香港不久，中共南方局暨广东省委联席会议改选了新的省委，张太雷继续任省委书记，恽代英任省委常委、省委秘书长、宣传部长，负责主编省委《红旗》半周刊。
这次会议分析了南昌起义后的全国政局和广东形势，认为：“广东土地革命运动仍是高涨，暴动的计划仍应继续实现，现地的暴动还不应停止，而应努力扩大”。 会议讨论了在广东举行暴动的形势。
为配合这次暴动的准备工作，恽代英加强了宣传攻势。
11月26日，广东省根据中共中央的指示，抓住粤桂战争爆发、广州城内兵力薄弱的有利时机，作出了立即举行武装起义的决定，并成立革命军事委员会作为起义的最高领导机关，张太雷为委员长，黄平、周文雍为委员。成立了起义军总指挥部和参谋部，负责作战指挥，叶挺任总指挥，叶剑英任副总指挥，徐光英任参谋长。
12月初，省委召开紧急会议，提出了起义胜利后成立的广州苏维埃政府的人选名单：主席苏兆征（在苏兆征没有到任之前，由张太雷代主席），军事委员叶挺，劳动委员周文雍，司法委员陈郁，宣传委员恽代英，经济委员何来。
省委同志立即投入准备工作。不料起义的消息被隐藏在教导团内的“孙文主义学会”特务分子告密。汪精卫在上海获悉起义消息后接连电告张发奎，要其迅速解除教导团武装，搜集苏联领事馆，镇压各职工会。敌人开始向广州方面调动兵力，眼看就要下毒手了。形势十分危急，张太雷立即召开了省委紧急会议，研究情况，决定提前到12月11日起义。
12月11日子夜，张太雷偕同恽代英、叶挺以及工人赤卫队代表乘汽车前住教导团驻地四标营。国民革命军第二方面军军官教导团是由3000多名武汉军校的学生组成，其中200名没有暴露身份的共产党员。马上又要见到阔别已久的战友和学生们了，恽代英这时心情尤为激动。
张太雷讲话后宣布党代表恽代英讲话。这个宣布立刻在队伍引起了窃窃私语声： “看，恽代英老师来了！”
原武汉军校的革命师生又看到了戴着深度近视眼镜的瘦削面孔，异常兴奋，增添了不少力量。当恽代英一张口，熟悉的、有点沙哑的湖北口音，使大家感到一阵春风拂面。恽代英压低声音，但十分有力地说：
“官长们，同学们！开你们有好几个月了，我很相信你们。我知道你们每个人的胸中都埋藏着对国民党反动派的无穷怒火。在九江，韶关，反动派曾两次解除你们的武装。前天，你们的叶团长告诉你们，反动派又要解除你们的武装，这回我们可不交枪了。今天我们要报仇！要暴动！要起义！要和反动派算帐！要讨还血债！要夺取政权，建立自己的工农民主政府！你们要勇敢战斗，解除敌人的武装，取得暴动的胜利！”
“同学们，国民党已投降了帝国主义，叛变了革命，背弃了孙中山的三大政策。 它穷凶极恶地屠杀工农群众，再也不能领导中国革命了。全国四万万同胞的命运和希望已落在我们共产党人肩上，我们要把这副重担挑起来。我们的首要任务是建立和扩大革命武装，夺取政权……同学们，拿出中央独立师的勇敢精神来，为打倒反动统治，建立工农兵权而奋斗吧！”
叶挺分配任务后，命令队伍出发。
掌旗官举起镰刀斧头大红旗，战士们跟着冲出营门，步行至东校场门前，登上在路旁等候的汽车，向战区驶去。
恽代英跟着第一营。战士们分乘29辆汽车和货车，分两路驶向国民党广州市公安局所在地维新路。
当天空接连升起三颗红色信号弹时，战士们立即勇猛地向公安局方向冲去。
经过两个小时的激战，攻占了最坚固的反动堡垒――广州市公安局。公安局局长朱晖日跳墙逃走。
恽代英和徐光英在欢呼声中进了公安局大门，他命令战士们继续搜查敌人，并找开监狱，释放政治犯。
黎明，广州苏维埃政府成员和工农兵代表在公安局大楼会议室举行第一次会议。
张太雷宣布：“广州苏维埃政府成立了！“接着宣读了广州苏维埃政府对内对外政纲。
苏兆征担任苏维埃政府主席（张太雷代理），恽代英为秘书长、党代表。
敌人不甘心灭亡。帝国主义和国内反动派勾结起来，想绞杀革命。英、美、法、日停泊在沙面江中的军舰将炮口朝向市区，对准天字码头一带起义军阵地猛烈炮击。担任这里防守任务的赤卫队和警卫团士兵无法还击。遵照叶剑英的命令，教导团炮兵连和原沙河炮兵团的士兵把大炮开上去还击敌人。敌舰中弹，向白鹅潭方向驶去，但退出大炮射程之后继续轰击，军民死伤不少。
中午，工农兵群众在丰宁路西瓜园广场召开拥护广州苏维埃大会，张太雷在会上发表了演说。这时，敌人在帝王主义军舰掩护下攻占了观音山起义军部分阵地，并分兵直扑起义军总指挥部。张太雷从西瓜园回到总部，途中遭敌人伏击，壮烈牺牲。
这时，参加起义的恽代英的学生装陈同生来到指挥部请求。恽代英询问了军情后说：“现在广州东、西、南三面已被敌攻入。你们既未得到命令，可以从北面退到花县一带。我们会通知彭湃同志和你们联系的。”
接着他把话锋一转，激昂地说：
“古语说‘秀才造反，三年无成’。假若我们下决心造三十年反，决不会一事无成的。年轻人，要有决心干三十年革命，你还不过五十岁，接着再搞三十年建设，你不过八十岁。我们的理想社会主义、共首席义恐怕也实现了。那时世界多么美妙！也许那时年轻人又不相信，我们曾被又残暴、又愚蠢的两脚动物统治过多少年代，也不易领会我们走过的令人难以设想的崎岖道路。我们吃尽苦中苦，而我们的后一代则可以得到福中福。为我们最崇高的理想，我们是舍得付出代价的。”
恽代英越多越兴奋。一声“报告”声打断了他的话。他在硝烟中又进入自己的岗位上。
黄昏时分，叶挺和聂荣臻到财政厅的天台去观察各处点战斗情况。只见沙面一带，白鹅潭中帝国主义军舰都已升火，浓烟滚滚，把江面染成昏黄色。观音山已敌人占领，形势十分危急。
叶挺和聂荣臻为保存起义有生力量，决定撤出广州，并分头向起义队伍下达撤退命令。