北伐军占领武昌后，武汉逐渐成为革命的中心。国民党中央政治会议正式决定迁都武汉并于1927年元旦在武汉开始办公。由于武汉地区革命形势空前高涨，左派和右派的矛盾也就越来越尖锐，蒋介石篡权活动也在步步加紧了。
4月12日，蒋介石在上海同帝国主义、买办资产阶级以及封建势力策划了惨绝人寰的“四一二”大屠杀。消息传到武汉，武汉顿时成了愤怒的海洋，群众举行游行示威，武汉军校是反蒋斗争中的一支重要力量。
22日，《汉口民国日报》发表了宋庆龄、邓演达、吴玉章、林伯渠、恽代英、毛泽东等的联名讨蒋通电。
4月23日， 武汉军校各期学生在武昌阅马场举行讨蒋大会。武汉各界群众和团体各军兵士30余万人参加。恽代英主持了大会。大会通过了《武汉军校告各期全体同学书》。会后，举行了游行。恽代英以武汉军校的名义向武汉国民政府提出2500名“志愿兵团”的计划。
4月27日至5月10日，中国共产党在武汉召开了第五次全国代表大会。恽代英参加了会议并当选为中央委员。
蒋介石为颠覆武汉国民政府，在军事上采取了东、西、南三面包围，同时在湘、鄂、赣策动反动军官叛变，实行里应外合的策略。5月5日，杨森受蒋介石密令由万县举兵东下。5月17日，驻守宜昌的武汉政府所辖独立十四师师长夏斗寅，乘武汉主力部队入豫北伐之际，背叛武汉政府，由宜昌东下，切断长沙、武昌间的铁路，与杨森部队相配合，乘虚进攻武汉。
武汉国民党中央和武汉政府对于夏斗寅的异动开始没有引起重视。恽代英在5月18日报告中央，要求把农工及学生2000余人编为义勇队，发给枪枝，到前线去参战，遭到汪精卫、谭延恺的拒绝。在共产党和广大革命人民的推动下，武汉国民政府才于当天发布命令“拿办”夏斗寅。中共中央决定提请武汉国民党政府军事委员会抽调第十一军第二十四师为反击的主力，再调遣中央独立独立师及第十一军教导营协同第二十四师，开往前线作战。中央独立师由中央军校和中央农民运动讲习所和学员组成，恽代英任党代表，侯连瀛任师长，施存统任政治部主任，在二十四师师长叶挺统率下，和七十二团、七十五团一起投入讨伐夏斗寅的战斗。
5月18日，武汉革命政府下达讨伐令。傍晚，中央独立师一团在两湖书院大操场誓师。党代表代英作了战斗动员。
部队出发了。恽代英戴着眼镜，身着军装，束着武装带，打着布绑腿，脚穿布鞋，精神抖擞地走在队伍最前边。沈葆英站在欢送的群众之中，含着热泪看着恽代英带领部队渐渐远去。
恽代英带领战士们披星戴月，不辞辛劳。他们在烈日下翻山越岭，渴了，蹲在池塘和田埂边手掏脏水喝；饿了，花几个铜板买麦耙充饥；夜晚睡在草地里，蚊子成群，鸡屎牛粪，臭气熏人。恽代英要求战士们遵守严格的纪律严明，且待人接吻非常和气，感到诧异，感叹道：“自盘古以来没有见到过这样的军队”。
叶挺、恽代英带领革命军进军鄂西，打跑叛军后，在深山密林中躲避土豪劣绅烧杀奸淫的老百姓，听信反动派谣言，迟迟不敢回来，更不敢接近革命军。恽代英就组织女兵宣传队加强对群众的宣传工作，赢得了群众的理解和支持。
革命军所到之处，还帮助整顿和重建妇协、农协等群众团体；发动群众斗争土豪劣绅，镇压反革命。军民感情逐渐融洽，革命军得到群众的拥护和爱戴。
革命讨夏战役旗开得胜，首战告捷。
这时，革命形势已日趋恶化。继5月23日在长沙发生的三十五军团长许克祥屠杀共产党人和工农群众的“马日事变”之后，江西省主席朱培德在南昌“清党”；武汉的唐生智要挟共产党退出国民政府和国民党；汪精卫亲自去郑州拉冯玉祥联合反共；冯玉祥也应蒋介石要求在冯军中“清党”……
而陈独秀为首的中共中央对这一系列反革命事件却采取投降主义政策，作出强迫工人阶级解除武装的决定，并把国民革命领导权让给国民党。
恽代英和蔡和森、毛泽东、周恩来等站在一起，对陈独秀进行多次批语和斗争，但未能阻止陈独秀的家长作风。陈独秀一意孤行，命令工人纠察队交出武装。
7月初，恽代英和叶挺分别将中央独立和叶挺指挥的部队拉到武昌城外，准备一旦有变，即在武汉发动暴动。
在一个雨后初晴的指晓，叶挺和恽代英一起来到二十四师教导队训练场上。随着大队长孙树成一声宏亮的“立――正！”恽代英站在了队伍面前。他用爱抚的眼神扫视了全场的战士们以后，响亮地说：
“同志们！我们目前的形势危险得很。可能碰到的困难不晓得有几多！但革命是任何危险也吓不退的，任何困难也挡不住的！”
他分析了内忧外患的严重局势后，讲到革命者的庄严任务：“同志们！我们在这里必须要弄明白：巩固团结，就为的是要坚持革命。我们决不能放弃革命来取得团结。决不能用投降来代替团结！为了坚持革命，要争取团结；为了坚持革命，也不要怕分裂！”
一个月来，在人们心中解不开的团结与分裂的问题豁然开朗、迎刃而解了。
7月中旬，汪精卫公开反共，同蒋介石合流，发动反革命政变，在“宁可枉杀一千，不可使一人漏网”的反革命口号下，在武汉开始对共产党大捕杀。共产党的活动由公开转入秘密。
恽代英先后召开了军校中共党员师生大会。在会上他十分镇静地说：
“同志们，今天是我们最后一次聚会，明天早晨，打倒恽代英的标语，就会出现在武昌城头上了！现在政治形势虽然一时逆转，但我敢说，中国革命必然会成功，最后胜利一定属于我们！我们分散以后，希望每一个同志，就是一粒革命种子，不论撒在什么地方，就让它在那里发芽、开花、结果……”
多少年来，当时听过这次报告的学生，一直忘不了恽代英这番感人的、激励人心的讲话。
7月18日，军校被迫解散，一部分学生被分发各军服役，曾经惊动全球的妇女先锋队――武汉军校女生队不得不宣布结束了。
不出恽代英所料，很快，国民党就下令通辑恽代英。
7月22日下午，代英穿着便衣，回到家里，对沈葆英说：“四妹，国民党已经通令捉拿我了，我要走了”。
他握着葆英的手，歉疚而又坚定地说：“我们匆匆结婚，又要匆匆分拖。我深信，许克祥、夏斗寅、蒋介石和汪精卫都无法绞杀革命。现在是国共分家了。我党因为陈独秀的错误领导，没有及时组织反击，处于被动局面。但是我们是要还击的。不能让革命果实落到敌人手里，我要走了，你也得有应的精神准备。你不要难过，我还要回来的。革命遭受挫折，但没有完结。共产党是杀不尽斩不绝的！”
沈葆英要求同他一起走，风里风雨都跟着他。恽代英她还是暂时先躲一下，等他的消息，但嘱咐她不要住家里，因为家里不安全。
入夜以后，恽代英抱着祖父生前留下的几幅画，送到不远的四叔家，急急交代了几句，把帽子往眉尖一拉，没同家人辞行，就匆匆地出门走了。