第二年回國後的李大釗，任北京《晨鍾報》主編，他積極投身於正在興起的新文化運動，成為新文化運動的骨幹力量。1917年年底，李大釗入北京大學擔任圖書館主任，並開始參與編輯《新青年》雜誌，他在北京大學，先後任評議會評議員，經濟、曆史等係的教授。
俄國十月革命一聲炮響，給中國送來了馬克思列寧主義。李大釗受到了鼓舞，率先接受和傳播了馬克思主義。他在《甲寅》、《新青年》等刊物上發表了不少宣傳民主主義思想和社會進步的文章。他旗幟鮮明地批判改良主義和陳獨秀等創辦《每周評論》，積極領導和推動了五四愛國運動的發展，成為中國共產主義的先驅、我國最早傳播馬克思主義的人。
1920年年初，李大釗和陳獨秀兩人在北京和上海分別活動，開始醞釀籌建中國共產黨。他在北京大學組織了中國第一個馬克思學說研究會，聚集了鄧中夏等一大批具有共產主義思想的青年知識分子，為建黨作了充足準備。同時，李大釗還多次會見了共產國際的代表，共同商討籌建中國共產黨。同年秋，李大釗在北京創建共產黨小組和北京社會主義青年團，與在上海的陳獨秀遙相呼應。“南陳北李，相約建黨”，成為中國革命史上的一段佳話。11月，共產黨小組改稱中國共產黨北京支部，李大釗擔任書記一職。他擴大宣傳，積極活動，發展並推動了建立全國範圍的共產黨組織。
1921年7月，中國共產黨第一次全國代表大會召開，這不僅宣告了中國共產黨的成立，也預示著從此中國革命的麵貌將為之一新。作為中國共產黨的主要創始人，他擔任了中共北京地方委員會書記，負責領導黨在北京和北方地區的全麵工作。
1922~1924年年初，李大釗在大江南北頻繁地奔走，多次代表共產黨與孫中山會談，為建立革命統一戰線嘔心瀝血，做了大量工作，他不僅出席了國共合作的國民黨第一次全國代表大會，還被孫中山指定為大會主席團成員之一，參與了大會宣言的起草等工作，為實現國共合作作出了重要貢獻。同年6月，作為中共代表團首席代表，赴蘇聯參加共產國際第五次代表大會。在李大釗的領導下，北方地區的反帝反封建鬥爭開展得生機勃勃。也是在李大釗的呼籲下，北京開展了聲勢浩大的反對北洋軍閥政府的鬥爭，堅決支持孫中山北上，並與馮玉祥領導的國民軍多次開展合作。
五卅運動爆發後，在北京李大釗與趙世炎等人組織了五萬餘人的示威活動，有力地支持了上海人民的反帝鬥爭。1926年3月，“三·一八”慘案發生後，李大釗遭到段祺瑞政府的通緝，但就是在這樣極端危險和困難的情況下，他還是積極號召人們用五四的精神、五卅的熱血，不分界限地聯合起來，繼續堅持鬥爭，堅決反抗帝國主義的聯合進攻，反對軍閥的賣國行為。
李大釗的革命活動，遭到北洋軍閥的仇視。1927年4月6日，奉係軍閥張作霖勾結帝國主義，派軍警搜查蘇聯大使館，在北京逮捕了李大釗等幾十人。在獄中的李大釗備受摧殘，但他始終大義凜然、堅貞不屈，嚴守黨的秘密。4月28日，北洋軍閥政府不顧社會輿論的強烈譴責和反對，在北京西交民巷京師看守所內，將李大釗等二十位革命者絞殺。
臨刑前，李大釗慷慨激昂地說道：“不能因為反動派今天絞死了我，就絞死了偉大的共產主義，共產主義在中國必然得到光輝的勝利。”他是高呼著“共產黨萬歲”英勇就義的，時年38歲。
【在京檔案】
李大釗的故居位於北京文華胡同24號（原石駙馬大街後宅35號），這是李大釗1920年春至1924年1月居住的地方，也是李大釗在家鄉之外生活時間最長的一處居住場所。
位於北京市東城區沙灘北街（今五四大街）29號的北京大學紅樓，是北大老校舍之一，現在為北京新文化運動紀念館。1918年以後，李大釗、陳獨秀、魯迅、胡適等曾在此先後任教任職。李大釗在北京大學任職圖書館主任期間，就是在這裏組織了“馬克思主義研究會”，他在《新青年》、《每周評論》上發表的許多宣傳馬克思主義的文章也是在這裏完成的。五四運動之後不久，李大釗等共產黨人建立的北方第一個共產主義小組就是在紅樓，這裏也是北方革命活動的中心。在一樓東南隅有兩間朝向向東的屋子，便是當年李大釗辦公的地方。