1926年底，陈三才怀着实业救国的梦想回到祖国。当时的上海是全国工商业最为繁华的地方，经过考察，陈三才选择了上海作为他事业的基地。他与美国工程师汉布尔敦一起创办公司。三才日夜忙碌，经过一段时间的筹备，上海滩上第一家冰箱公司正式成立。公司设在静安寺路（慕尔鸣路口）989号的一幢建筑物中，命名为“美商北极公司”，电话号码为34350。这是我国较早的与美国联营的公司，或称美商投资公司，总部设在美国。 公司除了专销美国“弗里吉代尔”牌制冷产品，还经营着冰箱、制冰机器、电气风扇、空气调节器等电器设备。之后，陈三才继汉布尔敦担任“北极公司”第二任总经理、副总裁，还兼任着中国通惠机器公司常务董事，两个公司设在同一幢楼里。公司有一个相当大的厅堂，陈列着各种规格的冰箱、空调样品。展厅上的阁楼做营业办公室。公司专门聘用了一批懂冷暖气、通风设备的维修技术人员，陈三才把在美国学到的世界上最先进的电气与制冷方面的专业知识传授给这些技术人员，还把在美国匹兹堡威斯特浩斯电气制造公司学到的先进管理模式融入了北极公司。不久，陈三才被推选为上海青联社社长、上海清华同学会会长。

1932年1月28日晚，日军突然向上海闸北的国民党第十九路军发起了攻击，十九路军奋起抵抗。上海各界纷纷行动，组织了很多义勇军、敢死队奔赴前线，支持十九路军。三才也立即行动起来，以上海青联社社长和中国工程师学会会员的名义开着车和同仁赶赴闸北，那里有中国军队的一个团和一个宪兵团在与日军作战。阵地上，炮声隆隆，子弹穿梭，士兵们拦住三才他们的去路。三才对士兵说，我们是来见你们长官的。在一处倒塌房屋的临时掩体里，陈三才见到了阵地上的最高长官，一名正在指挥战斗的副团长。三才跟副团长说，我们是工程师，我们想用我们的技术参加抗战，现在需要我们做什么？打红了眼的副团长直截了当地说：你们能帮我们修筑工事吗？是那种既能防御又能反击的工事，马上就要用，要一边筑一边用。 陈三才学着军人口气说：“能！”副团长唤来了一个军官，命令道：“我把这些工程师交给你，限你们在最短的时间里，筑好第二道防线，并给我死死守住。”陈三才带着工程师们马上奔赴指定地段，根据地形一边画草图一边垒起草包。就在第一道防线告急时，三才与官兵们构筑的第二道防线即时派上了用场。从阵地上下来后，三才很受刺激，寝食不安，那惨烈的情景、遍地的尸体让他彻夜不眠。他能做的事只有奔走在商界联络正义人士，捐款捐物，送往前线。

1937年“八一三”淞沪会战爆发后，三才以更加高昂的斗志与他的同仁一次次来到前线，给驻守在浦东的炮兵送去船只、仪器，以及标示出日军兵舰方位的草图。在三才等人的帮助下，官兵们把大炮、弹药、仪器等装在民用木船上，加上伪装，隐藏在沟渠与竹林里。入夜，官兵们用小汽艇拖出这些木船，出其不意地攻击日军兵舰，屡屡得手，在一个多月里重创敌舰20余艘。 三才相当能干，哪儿告急他就去那里“灭火”。为了防止日军搜集铜币，就地制造子弹，中央银行抢先一步广收各种铜币，竟收集了几十吨。中央银行怕泄露消息，被日军知道造成损失。三才甘冒生命危险，与银行负责人一起秘密地把所有的铜币运出去，藏在法租界的北极冰箱公司的秘密仓库中，并派自己的亲信昼夜看守。另外，三才还曾与同仁多次参加袭击停泊在黄浦江上的日军航空母舰“出云号”，虽然没有成功，但受到了人们的赞扬，人们称赞他是商界中的抗日勇士。

1938年，国民党在上海的大批特工，不断刺杀汉奸和日本鬼子，使他们生活在恐惧之中。日本特务机关与汉奸在上海的极斯菲尔路76号（今万航渡路435号）也组建了一个特务组织，即汪伪特工总部，俗称“76号”。坐落在极斯菲尔路中段、钱家巷斜对面的“76号”，原本是国民党安徽省主席陈调元的花园洋房。 “76号”的特务疯狂搜捕抗日志士，继而运用各种酷刑，折磨和摧残共产党人和抗日志士。

1939年12月12日晚，汪伪76号特务在职妇会所外暗杀女共产党员茅丽瑛，引起社会公愤。 这一切引起陈三才的义愤填膺，他痛恨日军侵略中国，更痛恨汪精卫等人迫害无辜，残杀抗日英雄，遂产生炸毁“76号”这座魔窟的想法。三才与同伴密谋了一个行动计划。再三商讨后，决定分头行动，一部分人负责购买炸药，并通过租界把炸药运进来；另一部分人负责把炸药埋在极斯菲尔路76号和74号之间的泥沟里。这两项工作都不容易做，稍有不慎，不仅炸不了76号魔窟，反而误了自己的性命。这次绝密行动中，三才除了资助行动经费外，还打通租界各个关节，确保炸药运送与掩埋成功。随后，三才还利用自己的富商身份，通过朋友的引荐，与“76号”第二处专员诸亚鹏搭上了关系，在觥筹交错中，摸清了“76号”内部的情况。 “76号”内部还真出了状况。因发生内讧，诸亚鹏被第二处处长马啸天喊去“谈话”。在“谈话”中，警觉的马啸天等人嗅出了异样的味道，为防万一，对“76号”加强了防卫。 此时，尚有一部分炸药没有运到，上海城里各处均戒备森严，因此，运送炸药就更加困难，雷管也还没有装上。此时，一般人已经无法接近“76号”了，致使三才等人炸毁“76号”魔窟的计划只得中止。

爆炸计划虽然没有实现，但三才对日汪的愤恨与日俱增。三才想起中国有句老话，叫“擒贼先擒王”。他下决心除掉汪精卫。其实，自从汪精卫发表了那个臭名昭著的“艳电”后，三才就以汪精卫为敌了。既然炸不掉“76号”魔窟，那么我就杀死你汪贼。 陈三才开始周密地谋划了。他托朋友买来了威力巨大的穿甲枪弹，还有能发射子弹的拐杖。那段时间，三才神神秘秘，时而在商界谈事，时而与朋友相聚，时而跳舞唱歌，为的是打探汪精卫的行踪。可是，他却一直找不到接近汪精卫的机会。因此，他把穿甲枪弹藏匿在公司仓库的冰箱里，拐杖藏匿在家里，然后另想办法。

1939年4月，日本特务秘密护送汪精卫等人从河内乘船辗转进入上海，5月在上海组建伪中央政府。1940年3月30日，南京举行所谓“国民政府”还都仪式，正式成立傀儡政权。 陈三才想出了花钱买情报的办法。这一招还真灵。一个与三才有过一面之交、名叫伊万诺夫的白俄人向三才密报，身患肝病的汪精卫将去北四川路上的福民医院看病。这个医院虽是日本人开的，但有一个俄国女护士与他是好朋友，可以买通这个女护士对汪精卫下毒，毒死这个大汉奸。经过核实，这个白俄人说的是实话。

交易在福民医院附近的一家茶馆里悄悄地进行，白俄人开出了一个大价钱，三才不考虑多少报酬，只要保证谋杀成功，于是，一口价交易成功。两人商定，事前陈三才付三分之一定金，汪精卫入院后再付三分之一，暗杀成功后付清余款。 一切商定后，三才焦急地等待着汪精卫入住福民医院，并做着准备工作。三才他们把毒药的不同剂量在各种小动物身上进行试验，以确保有效毒死汪精卫。确定好毒药的剂量后，三才既焦急又亢奋，每天入睡前他都想象着中国的前途因汪精卫的死亡而变得光明，他希望汪精卫快点住进这家医院。 然而没有想到，汪精卫在入院的最后时刻改变了主意。原来是汪精卫的那个精明又跋扈的老婆陈璧君在最后时刻多疑起来，建议汪精卫改变就医计划。 汪精卫就此逃过一劫。

谋杀落空后的几天里，三才非常沮丧。就在三才重整旗鼓准备再干时，意外却发生了。 那个叫伊万诺夫的人与陈三才只是一面之交，他与三才合谋是出于交易而不是正义。现在交易没有成功，那个白俄人以为自己抓住了三才的把柄，掌握了三才的机密，就通过知情人找到了三才的公司，向三才索要一笔钱。 陈三才想息事宁人，就给了这个白俄人一笔钱。谁知这个白俄人是个贪得无厌的无赖，想以此继续敲诈三才，一次又一次地来到北极冰箱公司向三才“借”钱。三才很烦恼，他既想摆脱这个无赖，又想尽早地除掉汪精卫。所以，只得与这个白俄人周旋。此刻，三才的一个朋友跟三才说：香港抗日反汪的势力很强，你可以去香港找朋友，让他们来帮你，或许能打开一扇门。三才认为这是一个办法，于是就去了香港。先找到清华同窗好友刘驭万，又去见了东北的抗日志士，知道日寇在东北的罪恶行径后，三才更加愤怒。经朋友引荐，三才又会晤了国民党军统局副局长戴笠，他知道戴笠也在做着这方面的事情。 两人初见面，彼此不冷不热地交谈，三才感觉戴笠根本没把自己放在眼里。进一步交谈后，戴笠对三才来了兴趣。最后，戴笠对三才说：“我生平不佩服清华毕业生，也不佩服美国留学生，因为他们不肯革命。今日与你交谈后，改变了这个看法。对你，我是绝对佩服的，你的救国义举，让我改变了对清华留学生的看法。” 戴笠一直想刺杀汪精卫。

1939年3月，他指使陈恭澍赴越南河内刺杀汪精卫，怎奈误杀了曾仲鸣。现在陈三才执意要杀掉汪精卫，与他的目标是一致的。陈三才无党无派，只是一个商界精英，但如果他能刺杀成功，戴笠也能向蒋介石交待了。所以，戴笠在佩服三才之余也想助他一臂之力。戴笠主动提出将那个白俄人弄到重庆，然后帮他办个护照借道香港去美国。为了尽快地除掉汪精卫，三才同意了这个方案。 陈三才回到上海后，继续寻找谋杀汪精卫的机会。与此同时，戴笠的人找到伊万诺夫，向他承诺，离开上海去重庆，然后替他办好护照，先去香港再去美国定居。为了让这个白俄人尽早离开上海，戴笠的人语中带着威胁，这就让白俄人感到恐惧了。继续索钱无望，还受到威胁，落到他们手里不知死活，不如先下手为强，卖了陈三才弄一笔钱后远走高飞。于是，伊万诺夫走进了“76号”魔窟，出卖了陈三才。

陈三才被捕了。时间是1940年7月9日上午。在他自己的车里，被“76号”特务押进了“76号”魔窟。一走进“76号”的大门，陈三才仰天长叹：“汪贼，我虽杀不了你，但终有一天你会被人杀掉的。” 三才被关进了一间牢房，没等坐稳，审讯就开始了。双方都心知肚明，审讯也直截了当：“陈先生，汪主席很开明，只要你说出同谋与后台，汪主席会免你一死。”三才说：“我没有同谋，就我一个人。凡有良知的中国人都想做我想做的事。”特务说：“你几次想谋杀汪主席，你一个人是做不了的，肯定有团伙，还有指使人。”三才说：“如果说有团伙，那就是全国民众。”说完这话，三才闭上了眼睛，不再答话。与其他被抓进“76号”魔窟的人一样，三才也受到了各种酷刑的折磨。可是，无论特务怎么刑讯，三才只有一句话：我没有同党，也没有指使人，就我一人干的。一周后，陈三才被押往南京。

一到南京，特务就将陈三才带到汪精卫的办公室。汪精卫迫不急待地想见见这位想杀自己的商界精英。汪精卫对三才说：“陈先生，我深佩先生的学识，像你这样的清华留美学子，又事业有成，实乃国家栋梁。我国民政府刚刚成立，非常希望先生能加盟国民政府，电政司很需要你这样的人才，我可以委以重任。” 陈三才看着汪精卫那张伪善的脸，不屑地说：“我不会与你同流合污的，我绝不会做汉奸的。”汪精卫做了一个遗憾的动作，接着说：“我们不会做汉奸的事，在国军节节败退的情形下，不这么做，将会导致全局性的毁灭，因而我忍辱负重，一面合作一面对抗，曲线救国啊。我可以不计前嫌，只要你能说出同党，再写一纸悔过书，我马上释放你。”陈三才说：“你这是狡辩。如果非让我说出同党，我告诉你，全国同胞皆是我的同党。”汪精卫站起来，说了声：“来人。”陈三才被关进了监狱。

没几日，三才就与监狱的人混熟了。交谈中，他得知他的下铺是清华学校33级的校友，名叫徐文祺。三才觉得徐文祺倒是一个可以信赖的人，而且有希望被释放。他还不知道自己能不能活着走出这个监狱，所以，他想写几封信，让这位校友带出去。三才首先给前妻安妮·桑梅丝与儿子华伦写了信。信中，三才告诉前妻及儿子，他解押到南京后待遇好了，被摧残的身体慢慢恢复。在南京这段闲暇时，三才对自己作了“反省”： “我差不多费了十三年的工夫来了解：一个人的幸福不在乎自己的所得，而在于为别人服务。愿上帝赐我恩惠，使我死心塌地有坚决的信心。希望我的性灵也能得到改善。《新约》我已读了好几遍，也学会祈祷，虽然我还没有成为一个真实信徒，至少已经接近基督的教义。比方说，我已经能抑制自己不去仇恨这次演成事变的人们，反而怜悯他们，认为他们的行为如果有罪将来自有公正的处罚。我是什么人，怎么配来裁判！一切事实也许都是上帝的旨意。如果南京之行，于我不利，正因为我过去生活的放荡而有应得之责罚。反而言之，若此行于我有利，那就许是上帝的旨意。无论如何我都无怨尤。”

信写后好，三才便交给徐文祺深藏。他知道，徐文祺只是得罪了一些当权的人，罪不致死，总有出狱之时，这些信便能带出监狱送达妻儿之手。陈三才在狱中还写了一封信给儿子华伦与女儿华琼（梅琳）。信中，三才向儿子倾诉了自己的思念：“大约两周前是你的生日，我整天都在想念你，我未能送给你我许诺的生日礼物，感到十分遗憾，但我希望不久能予以弥补，不管怎么说，我预料能在圣诞节前见到你，你至少能收到我的圣诞礼物。”这两封信都是用英文写的。

陈三才入狱的消息传出后，清华同学会、中国工程师学会、三才的亲属，以及三才在美国的同学、时任上海联合广告公司经理的陆梅僧、大夏大学理学院院长邵家麟等人都在积极地营救。 在当时的上海滩，三才已是著名的实业家，对于陈三才的处置，汪伪政府的高层也是意见不一。汪伪政府三号人物周佛海、76号特工总部副主任李士群都不赞成判陈三才死罪，建议判刑即可。汪精卫忙于“归都”南京，无暇顾及陈三才的审判。但汪精卫的那个飞扬跋扈的老婆陈璧君，却非要杀掉陈三才。陈三才的家属找到了汪伪幕僚、汪精卫的连襟褚民谊，褚在得到大笔钱物后，同意为三才说情。于是，褚民谊来到颐和路34号面见汪精卫。在谈完其他事后，褚说起了陈三才一案，请汪精卫网开一面，放过陈三才。

此刻，汪精卫已下决心杀掉陈三才，便严词拒绝了褚民谊，并在李士群给他的报告上用红笔写下了四个字：“着即枪决”。 此时，南京已入深秋，万物开始凋零，一场接一场的秋雨使得满世界都显出凛冽的肃杀之气。但是，三才深信中国人民的抗战一定会胜利。他对于死亡，已经无所畏惧。

1940年10月2日，凌晨。陈三才被狱卒的尖叫声惊醒，听到了对自己死刑的宣判。他非常坦然。他知道，自己做的事情是一件伟大的事情，是代表了全中国同胞的心愿。虽然他失败了，但他会被人们记住的。因此，当天下午2时许，陈三才被押往雨花台刑场时，身体显得是那样的挺拔威武，面部表情显得淡然沉静。载着陈三才的囚车一直将他带到雨花台山岗的东边。他下车后，看着远方深邃碧蓝的天空，昂首挺胸，显得更加高大。一阵枪声后，这位39岁的清华学子、商界精英倒在了雨花台这片血染的土地上。

两天后的10月4日，上海《申报》刊登了陈三才被枪决的消息。 消息一出，陈三才的亲属与好友都惊呆了。他们尽了全力，以为不久将能迎接三才出狱，谁知等来的是噩耗。三才的三姐陈定志，表嫂汤杨锡琳、汤美丽母女哭得昏天黑地，她们不能接受这个事实。当日，她们身着玄衣，赶到南京为三才收尸。见到三才的遗体，她们更是伏尸恸哭，哀痛至极。然后，她们连夜将三才的遗体运回上海。

她们为三才在上海静安寺路万国坟园里选择了一方墓地。陈三才的亲属与朋友参加了三才的入葬仪式。前妻安妮·桑梅丝与现任丈夫也从香港赶来上海。 陈三才入葬后不久，狱友徐文祺托同学黄开平从狱中秘密地带出了陈三才的两封英文遗书。除了给前妻安妮·桑梅丝与儿女的信外，还有一封是给表侄女汤靖宇（汤美丽）的。 陈三才的死也震动了重庆国民政府。

1942年2月1日，各界人士在重庆夫子池新运模范区忠义堂，举行了陈三才烈士的追悼大会。追悼大会由重庆清华同学会、联青会、中国工程师学会等社会团体，以及黄炎培、顾毓琇、吴国桢、陈立夫等41人于四天前的1月28日发起的。 1月28日的《新华日报》报道说：“陈三才烈士为沪上名工程师，前以谋刺汪逆不幸事泄被害，中国工程师学会、清华同学会等团体及各界人士，拟联合举行追悼会。陈烈士江苏吴县人，曾肄业清华大学，后留学伍斯特大学习电机科。一二八之役，烈士以技术助抗日军种种工事设备，后秘密参加沪上救亡工作。汪贼被河内烈士狙击未中，乃集沪上爱国分子，谋再投博浪锥，不幸事泄被捕。贼亲审时，烈士曾曰余与尔无私怨，欲诛国贼耳。遂从容就义，时二十九年十月二日，其地则南京雨花台也，年三十有九。”

追悼会上，冯玉祥盛赞三才所为是爱国义举。黄炎培先生还朗诵了他撰写的悼诗《陈三才》。诗中赞扬三才“一击不中隳全功，壮哉三才人中龙”，“呜乎杀贼不成兮，君当为鬼雄”。三才活着是“人中龙”，死后也是“鬼雄”。蒋介石也为陈三才写了“烈并常山”的挽辞。

1942年4月，清华大学的梅贻琦校长在著文表彰清华英烈时提到：“校友陈三才君为国牺牲……我校校友于抗战年月内杀身成仁者，以陈君为最著，也以陈为最惨，今后应如何于文字上及事业上纪念陈君，永垂久远……”郑振铎先生更是盛赞三才是上海汪伪统治时期“孤岛”中的“砥柱人物”。

抗战胜利后的1945年10月2日下午4时半，联青社、仁社、北极公司、中国通惠机器公司在上海衡山路53号美国礼拜堂（今上海国际礼拜堂）举行陈三才烈士追悼会，同窗好友顾毓琇先生致悼词，丁光训牧师祈祷。

2001年4月29日，清华大学90周年校庆时，陈三才的名字被刻入“祖国儿女清华英烈”纪念碑。纪念碑上刻着“在民族独立和人民解放斗争中献身的清华英烈永垂不朽！”43名英烈中，陈三才名列第五位。

陈三才纪念馆馆长陆宜泰、作家万芊共同创作的传记性作品《陈三才》于2011年由华夏翰林出版社正式出版。

本书记述了陈三才从苏州成长、清华求学、留学归来刺杀汪精卫，以及计谋泄露被杀害的全部经过。写作中，陆宜泰和万芊历尽千辛万苦，征集了大量历史资料，为传记的真实性打下了坚实基础。顾毓秀生前专门为陈三才题诗：“赫赫精忠事可传，英灵遥望太平年。美邦负及身心健，沪海经营事业先。西泠桥边云遮月，雨花台上气冲天。痛除汉贼计谋泄，陈氏三才志节坚。”2001年，清华大学九十周年校庆时，陈三才名字被刻入“清华英烈”纪念碑。

2014年12月8日，江苏省民政厅认定陈三才为烈士。

2020年9月3日，退役军人事务部公布第三批185名著名抗日英烈、英雄群体名录，昆山英烈陈三才入选。