5月6日早晨，夫妻依依分手了。没想到，这天下午就出了事。
    恽代英开完碰头会，带了一包传单，匆匆向老怡和纱厂（今上海第五毛纺厂）赶去，在杨树浦路许昌路，接近厂门口时，突然碰到英国巡捕拦住路搜查（上海人叫做“抄耙子”）。恽代英猝不及防。他高度近视，稍远处就看不清楚，前边正在搜查行人，他竟直闯进搜查的警戒线内。当他发现一伙巡捕时，后退已来不及了。恽代英知道已无法脱身，就和巡捕扭打起来，在扑打中有意把自己的脸打伤，打肿，流了血，用布包起来，使人认不出他。敌人把他扭送到提篮桥的巡捕房去。
    英国巡捕对他严刑拷打。但恽代英始终咬着牙，忍受着残酷的折磨，不暴露自己的身份，严守党的机密。
    第二天恽代英被引渡到国民党上海市公安局。公安局也没有对恽代英审出什么结果，就把他转移到龙山淞沪警备司令部看守所。恽代英立即利用看守会中可以信托的关系，以“五作林”的名义，给地下党带去一封信，介绍他被捕的情况、被英国巡捕房刑讯的经过以及自己的对策，为的是让党组织能根据他提供的情况，同他配合，以便早日释放。
    这时已是5月下旬，地下党立即通过狱卒，和恽代英取得联系，积极开燕尾服营救工作。
    不久，龙华警备司令部的军事会审法庭开庭。由于开庭之前，我党已通过各种渠道进行营救工作，加上国民党当局一直没有弄到任何有力的人证和物证，恽代英的回答又措辞周密，无懈可击，所以法庭只能凭那包传单判处他五年徒刑，关进龙山附近和漕河泾监狱。
    6月3日，恽代英被押解到漕河泾监狱的第六工场。关押在这里的126名难友中，有工人、学生装、军官、士兵以及爱国民主人士等，其中党团员30多人。他弄清情况后，鼓励党团员们坚持斗争，说：监狱是我们的另一战场，也是我们特殊的课堂。我们在这里要经历严峻的考验，既要战胜威胁，又战胜利诱；既要饱尝身体的折磨，也要经受精神的、心理的、意志的磨练。我们要把监狱作为课堂，在这里学习很多平常学不到的东西，尤其要珍惜时间，多学习马列主义，学习党的政策，准备出狱后更好地工作。
    恽代英小心谨慎又十分巧妙地躲过看守的监视，领导难友们学习，孜孜不倦地为他们讲解学习中遇到的问题，讲得通俗易懂，生动活泼，连文化水平很低的工人都爱听。
    狱中的生活待遇十分恶劣，恽代英领导犯人进行同盟绝食斗争，要求增加饮水、改善伙食。斗争取得了胜利，难友们更加团结，增强了斗争的决心。
    恽代英在狱中感人至深的表现，赢得了难友们的信任和爱戴。他们把恽代英视为自己的良师益友。
    这年8月，瞿秋白、周恩来苏联回到上海，主持中央工作，召开了六届三中会，纠正了李立三的“左”倾冒险主义，并对造成恽代英被捕以及被捕后李立三的营救不力，也进行了批评。周恩来指出：恽代项同志是我党一位有很高威信同志，对党的事业作出了重大贡献，是蒋介石重金悬赏缉捕的重要人物，怎么能把他放在一个容易暴露身份又毫无安全保障的岗位上呢？
    周恩来虽然很赞赏恽代英在被捕时自伤毁容、隐蔽身份表现出的聪明和机警，但十分担心：恽代英长期从事公开活动，常在大庭广众下发表演说，和国民党右派进行过面对面的斗争，国民党内认识报导的人很多，要是长期监禁，随时都有被认出的危险。
    周恩来指示，必须使用一切手段，不惜任何代价，打通敌人的各种关节，把代英营救出来。中央决定，由周恩来主持营救工作，并责成特科负责人、中央政治局委员顾顺章具体执行。
    8月27日，恽代英从苏州监狱转至南京“中央军人监狱”服刑。这时，我党对他的营救工作有了很大进展，争取减刑的工作已有成效，很有可能提前出狱。中央决定同意沈葆英去南京探监。春节期间，沈葆英由互济会的一位同志陪同着，从上海来到南京江东中央军人监狱。
    走进黑漆的大门，穿过好几条阴森的暗道，到了指定的接见地方，她强自镇静下来，打量着这个房间。只见低矮的墙上，开着一个小方洞，从这个方洞望去，一米多远的地方，也有一所同样的房子，墙上开着同样大小的方洞，与这里遥相对望。她坐在那里，全神贯注地盯着对面小方洞后面的动静。
    一会儿，传来了哗啦哗啦的脚镣声，两个看守押着代英走来了。她凝神盯着他那长长的头发、蜡黄的面孔、满脸的胡髭。代英没有戴眼镜，一件黄色军大衣裹着孱弱的身体。葆英鼻子一酸，泪珠在眼眶里滚动，她差点喊出“代英”两字，看见一旁凶神恶煞似的看守，她猛然想起自己在什么地方，忙收到泪水，嘴唇颤动着，千言万语，只凝成了一句话：“你……你怎么啦？”
    代英见到朝思暮想的妻子，也很激动。为了帮妻子控制感情，他停了片刻，十分平静地说：“别难过，四妹，我没有犯法，我没有干坏事，我是被冤枉的。你放心，刑期满了，我们一家还能够团聚的。你来时，家里人都好吗？”
    葆英懂得他问的“家里人”是指党和同志们，忙回答说：“好，他们都很好。”乘看守不注意时，又补了一句：“伍豪问候你。”
    听到伍豪这个亲切的名字，代英的眼睛一亮，知道说的是周恩来，兴奋地说：“他回来了？谢谢他。回去向他问好。”又问：“我写回去的信都收到了么？”
葆英说：“收到了。大家也安心了，要你养好身体。”
    代英尽量在妻子面前作出健康硬朗的样子，但蜡黄的面孔仍使葆英阵阵心疼。
代英觉察到妻子的隐痛，用炽热的语言，亲切地鼓励她：
    “四妹，你也要保重身体。我不在家，靠你撑持家庭，抚养孩子。你做好这些事，我心里是很感激的，告诉‘家里人’，我很好，以后不要再给我送东西来了。”
    他还要说下去，看守突然走进来，站在两个方洞之间，大声吼叫：“时间到了，走吧，不许讲话了。”
    代英凝神注视着妻子，抿着嘴，蹙着眉，没有说话，也没有走。一对恩爱夫妻，隔着两道墙壁，两个方洞，遥遥相望，依依难舍，千言万语无法倾诉。
    一个看守走过来，推了一下代英，恶狠狠地说：“你还等什么？快走！”
    代英抖动一下身体，瞪了那个看守一眼，大声说：“不许动我，我会走！”接着又转过身来，深情地对葆英说：“回家去费心照顾好小毛弟吧，我不会忘记你的。”说完，扭转头，拖着沉重的铁镣，头也不回地走了。
    沈葆英惊叫了一声，忙把双手伸出方洞，想抓住他，不让他走，可是怎么能够啊！代英一步一步走远了，不见了，最后连脚镣声也听不见了。
    春节后不久，恽代英从狱中支部得到消息：2月7日，他的老友林育南、李求实和何孟雄、恽雨棠、龙大道，及左联作家柔石、胡也频等24位著名共产党人在上海龙华监狱被敌人集体屠杀。代英悲愤至极。为了纪念死去的战友，也为表达自己虽然身陷囹圄而意志弥坚的决心，他写了一首七言绝句：
                    浪迹江湖忆旧游，
                    故人生死各千秋；
                    已拚忧患寻常事，
                    留得豪情作楚囚。
    他要为死难战友报仇，为砸烂这个人间地狱、建设一个新社会的理想而继续奋斗，他必须争取早日出狱。为了让自己伪装得更像一个苦力工人，他尽量多干活，少说话。狱中最苦、最累的活，如挑粪、种菜等，他都任劳任怨地干；他不修面，不理发，邋里邋遢，为的是迷惑敌人。
    恽代英巧妙的伪装，以及党组织的竭力营救，取得了效果。党组织告诉他，似乎危险期已经过去，结束刑期已指日可待。
    正当党组织紧张地为恽代英作出狱前的准备工作时，负责营救工作的党中央特科负责人顾顺章叛变，供出了恽代英。
    敌人喜出望外，当天下午，国民党法处处长王震南带着恽代英在黄埔军校时的照片，到监狱查证恽代英的身份。
    王震南把照片向恽代英晃了一下，问：“你究竟是什么？”
    恽代英立即明白，自己的身份已经暴露了。他镇静而又轻蔑地回答：
    “我，就是恽代英！”
    监狱当局万万没有想到，就在他们的鼻子底下，那个只知干活、不爱说话的王作林，竟是大名鼎鼎、被蒋介石重金悬赏而不可得的恽代英。
    王震南假惺惺地说：
    “恽先生，你是国民党中央执行委员，是中国青年的领袖，是国家杰出的人材。 我们很器重你。希望你回到国民党内来工作，我们绝不会亏待你。”
    恽代英正色地回答：
    恽代英正色地回答：
    “我是国共合作时期的国民党中央执行委员，我执行中山先生制定的联俄、联共、扶助农工的三大政策。现在蒋介石叛变了。他反苏、反共、屠杀工农。我本人是共产党员，必须革国民党反动派的命。这也就是我现在的庄严任务。”
    王震南气急败坏，立即下令给恽代英加上重镣，从原来的“星”字牢房转移到  “智”字监单人牢房。
    王震南向蒋介石汇报说，恽代英拒不投降。蒋介石当即下令：立即就地枪决。
    4月29日中午，恽代英从容地走出牢房，和战友们告别，高唱着《国际歌》走上刑场。
    王震南还想对恽代英作最后一次努力，问道：
    “你还有什么话要说吗？”
    恽代英大声喊道：
    “我要告诉你们，不要高兴得太早！如今的蒋介石，正在走着袁世凯的老路。他屠杀工农，屠杀爱国青年，向帝国主义献媚，与人民为敌。他卖国求荣，比袁世凯走得更远，告诉你们，多行不义必自毙。人民是要和他算帐的！蒋介石必将自食其果！”
    枪响了。正在开午饭的难友们放下碗筷，嚎啕痛哭。
    1950年，在恽代英英勇就义19周年时，周恩来题辞对代英的一生作了崇高的评价：
中国青年热爱的领袖――恽代英同志，他的无产阶级意识、工作热情、坚强意志、朴素作风、牺牲精神、群众化的品质、感人的说服力，应永远成为中国青年的楷模。