1929年4月，奉调回沪，任共青团江苏省委书记。

1930年8月，调至武汉，任中共长江局委员，分管共青团工作。不久又调回上海，任共青团中央组织部长。

1931年1月中共六届四中全会后，根据中央决定由任弼时、王稼祥、顾作霖组织中央代表团，前往中央苏区。顾作霖与任弼时等经香港、汕头辗转到达江西宁都，任中共苏维埃区域中央局委员、宣传部长、共青团苏维埃区域中央局书记。

在苏区，顾作霖以极大的热情和精力投入苏区团的建设，领导倡办团报《青年实话》，写了大量与团员、青年谈心的文章。他倡办列宁团校，兼任校长，请毛泽东、朱德、任弼时、徐特立等讲课。还在学员中开展学习文化的互帮互学活动，培养了一大批青年干部。为配合红军的反“围剿”战争，保卫苏维埃区域，他领导建立少年先锋队，召开苏区少先队代表大会，使全区少先队员增加到30多万名，成为工农红军强大的预备力量。他还倡导建立少共国际师，有1万多名少先队员应征入伍。

1933年4月，顾作霖调任中共闽赣省委书记。到任不久，蒋介石发动第五次反革命“围剿”。顾作霖发动群众支援闽赣省军区司令员萧劲光率领的少量红军，抵御敌人，但终因寡不敌众而撤离黎川，中共闽赣省委迁至建宁。

顾作霖经常深入工厂，关心工人疾苦。他开办平民夜校，传播革命真理，提高工人觉悟。同年11月，任中共江浙区职工运动委员会委员。1927年3月21日，中国共产党领导上海工人举行第3次武装起义。顾作霖、马禹夫等率领浦东工作起义队伍，首先冲到第4区警察署，缴获了20多支长短枪和弹药。并乘胜前进又攻占了几个警察所和第3区警察署。作战中，顾作霖身先士卒，勇敢果断，显示了他的组织领导才干。4月，蒋介石发动了反革命政变，顾作霖根据党的指示，转入地下，坚持斗争。

不久，担任共青团江苏省委书记。同年8月，中共中央派他赴山东，任中共山东省委委员、共青团山东省委书记。他与其他委员一起，迅速恢复了团中央与山东省委的联系。他们又分赴各地，大力进行各地团组织的恢复和发展工作。1928年5月，顾作霖被选为中共山东省委常委。后被选为共青团中央委员。他深入地考察社会各个阶层的群众特别是青年的状况，研究青年工作的方针政策。并写出《山东目前经济政治与青年状况》著名文章，发表在《列宁青年》上。1929年4月，顾作霖调任中共江苏省委委员、共青团江苏省委书记。他在江苏工作期间，非常强调党团组织要关心群众利益的重要性。他主张从经济斗争中提高工人群众的政治觉悟。后任共青团湖北省委书记、团中央组织部长。1930年7月，中共中央长江局成立，顾作霖是长江局领导成员之一，曾在中共中央军委特科工作。不久，他奉命参加中共六届四中全会。

1934年5月下旬，顾作霖又一次带病到广昌前线视察。就在战役激烈进行当中，顾作霖突然心脏剧痛。剧痛使他不由的蹲下身子。身体还未完全蹲下，一口血便从顾作霖心口奔涌而出。警卫员急忙跑过去扶住顾作霖。未等警卫员跑到，顾作霖便不省人事地倒了下去。

情况迅速上报到朱德那儿，朱德大惊，急忙下令把顾作霖抬下火线，送到战地医院全力抢救。由于情况紧急，朱德又亲自向博古作了汇报。博古大惊之余也作了重复指示，下令不惜一切代价全力抢救。然而，战地医院极差的医疗条件显然于事无补，顾作霖仍旧未醒。情况再次反映到博古那儿，博古再次下令，火速送往瑞金中央红色医院，并通知院长傅连璋亲自会诊。

第二天，顾作霖被火速抬进了位于瑞金叶坪洋冈下的中央红色医院。院长傅连璋得到通知后早已等候在医院组织抢救。然而限于当时的医疗条件，更因顾作霖积疾重患，加之广昌到瑞金路途遥远，耽误了抢治顾作霖的最佳医疗时间。即使是中央苏区最好的医院、中央苏区最好的医生，顾作霖最终还是于1934年5月28日晨在傅连璋无奈的眼神中，永远的闭上了他那双年青的眼睛，年仅26岁。

中华苏维埃第二次工农兵代表大会后，由于红军总政治部主任王稼祥在第四次反围剿中腿部负伤一直无法工作，中共中央局令命顾作霖为代理总政治部主任。就在顾作霖就任代理政治部主任后不久，广昌战役开始了。

带着病痛，顾作霖与博古、朱德踏上了五次反围剿战争的前线广昌。在左倾军事路线领导下，广昌战役空前惨烈。为了坚决“保卫中央苏区的每一寸土地”，顾作霖不顾劳疾，亲自一个山头一个山头踏看，鼓舞士气。然而即便付出如此辛劳的努力，广昌战斗还是每况愈下并最终失守。劳累、焦虑聚集在一起，使顾作霖积疾重患并愈来愈严重。

1931年3月，进入中央革命根据地后，任中共苏区中央局委员，共青团中央书记兼共青团苏区中央局书记、列宁团校校长。他始终殚精竭虑地领导革命根据地的共青团建设，使中央苏区的青年运动得以生机蓬勃地向前发展。

1933年4月，顾作霖任中共闽赣省委书记。他与省主席及各部领导干部密切合作，夜以继日地工作。终因劳累过度，患了肺结核，几次吐血病倒，仍带病坚持工作。9月，蒋介石发动第五次“围剿”。顾作霖领导闽赣省和黎川县的广大群众和干部，配合军区部队与来犯之国民党军进行战斗。1934年当选为中共中央委员、政治局委员。1934年1月，在第二次全国苏维埃代表大会上当选为第二届苏维埃中央执行委员会委员。会后，任中国工农红军总政治部代理主任（因主任王稼祥负伤未愈），兼红军第一方面军野战政治部主任。在广昌决战最激烈的时刻，他协助博古、朱德等亲临第一线指挥，突然心脏剧痛，吐血不止，不省人事。朱德总司令立即派人将他送到红军医院，抢救无效，于1934年5月28日在江西瑞金去世。时年26岁。

历史就是那么巧合，就在顾作霖牺牲的一个月前的这天，广昌失守，第五次反围剿战争宣告失败。博古等左倾领导者只得无奈的撤回到瑞金。刚刚回到瑞金不久，又传来得力干将顾作霖因病牺牲的消息，这给心情本就烦躁的博古更添沮丧。在博古的亲自过问下，顾作霖治丧小组迅速成立。就在顾作霖牺牲的当天上午，中华苏维埃共和国中央执行委员会发出讣告，沉痛悼念顾作霖同志。为隆重追悼顾作霖，治丧小组又决定于1934年的5月30日下午在沙洲坝二苏大礼堂举行追悼大会，要求在瑞金的中央领导同志及中央机关的工作人员全部参加。

1934年5月30日下午，沙洲坝二苏大礼堂会场主席台中央，顾作霖同志的遗像挂在正中。会场四周，一个挨一个地挂着中共中央、中央执行委员会、中央政府、中革军委、少共中央局、全总苏区中央执行局，及中央首长博古、周恩来、朱德、项英、王稼祥、毛泽东、李维汉、何克全等与各地工作同志送来的花圈、挽词及挽幛。追悼会持续时间约一个小时。参加追悼会的除在瑞金的中央领导及全体中央机关工作人员外，还有沙洲坝工农群众、青年代表共约两千多人。

第二天上午，顾作霖同志被安葬在红都大地上，令人遗憾的是，直到现在人们也无法知道顾作霖的具体安丧地点。建国后曾专门派人查找但均无功而返。顾作霖的安丧地点就此成为永远的历史之迷。

幼年就读于单家宅私塾，后考入嘉定县第一高等小学。民国11年（1922年），考入南京东南大学附属中学。学习勤奋，各科成绩优异。课余常认真阅读《新青年》、《先驱》、《向导》等刊物。民国12年加入该校附中社会主义青年团外围组织“合作社”，常为“合作社”主办的《合作》月刊撰写抨击当局的文章。“合作社”被取缔后，顾作霖和其他成员坚持斗争。民国14年，东大附中学生在“合作社”成员的领导下，集会声援“五卅”惨案，声讨英、日帝国主义。并联合南京全市中学生统一罢课，和各大学学生一起至下关的英商和记洋行蛋厂前示威游行，为此顾作霖被当局开除出校。

1934年1月，顾作霖在中共中央六届五中全会上当选为中央委员、中央政治局委员。并在第二次全国苏维埃代表大会上当选为苏维埃中央执行委员会委员。中央鉴于顾作霖身患肺结核病，身体十分虚弱，决定将他留在瑞金，任中国工农红军总政治部代理主任兼第一方面军野战政治部主任。广昌会战时，受命去前线协助朱德总司令工作。由于夜以继日地操劳，咯血不止，经抢救无效，于是年5月28日逝世，年仅26岁。中共中央、共青团中央和红军总政治部为他举行了隆重的追悼仪式，朱德、周恩来、博古、林伯渠等均致词悼念，称顾作霖为“鞠躬尽瘁、死而后已的中国青年运动的卓越领导人，中国共产党的优秀活动家”。1934年6月1日《红色中华》上载文说：“顾作霖同志九年来的英勇奋斗，在中国革命史上留下了光辉的名字，在共产主义青年团运动史上留下了光辉的名字。”