1926年3月17、18兩日，由國民黨中央政治委員會北京分會暨國民黨北京市黨部聯絡組織了抗議美、英、日等8個《辛醜條約》關係國公使因“大沽口事件”提出的“最後通牒”的請願、國民大會和示威遊行運動。李大釗作為國民大會主席團成員參加了18日的國民大會和遊行。遊行群眾在鐵獅子胡同臨時執政府門前遭到事先埋伏的衛隊的血腥鎮壓，是為“三一八慘案”。
18日晚，段祺瑞和國務總理賈德耀等在段宅開會，決定對集會遊行的群眾領袖從嚴懲辦。次日，政府發布了逮捕李大釗等人的通緝令。
對於革命者來說，此時北方政治形勢已經惡化。
幾個月前，孫傳芳以浙、閩、蘇、皖、贛五省聯軍總司令名義，在“擁段反奉”的旗幟下，發動了討奉戰爭，同時聯合一些皖、直軍閥包括國民軍首領電請吳佩孚組織討奉聯軍。但吳佩孚在漢口宣布就任14省“討賊聯軍總司令”後，不忘前仇，以馮玉祥國民軍為討伐對象。
奉係內部郭鬆齡倒戈失敗後，吳佩孚與張作霖取得諒解，形成奉軍、直軍、直魯聯軍共同進攻國民軍之勢。在此期間，國共兩黨發動了大規模的擁護國民軍，反對奉係軍閥，推翻段祺瑞臨時執政府的群眾運動。皖、奉軍閥對國共兩黨，特別是對共產黨人恨之入骨，反動壓迫因之愈加猛烈。
“三一八慘案”發生時，標榜為國民效力的國民軍並沒有給人民以保護和支持。事後，由國民軍將領李鳴鍾擔任司令的北京警備司令部亦發布禁止群眾集會的命令，這使國民黨的領導者有理由認為，國民軍有“脫離民眾而與安福係勾結”的傾向。
李大釗考慮得更為深遠。他同國民黨駐北京的另外兩名主要負責人李石曾、徐謙討論後認為：段祺瑞政府的通緝令表明“他們決定要對國民黨發起攻勢，迫使馮玉祥明確表示他與我們的關係”。在這種情況下，國民軍必須撤到南口，在那裏修築防禦工事。國民軍撤退之前必須粉碎“安福俱樂部”，趕走段祺瑞。國民黨應當幫助國民軍保存有生力量。
不管是出於對國民軍倒向反動派的擔心，還是準備應付國民軍撤出北京後來自政府的更大壓力，都有必要考慮從事地下工作的問題。因此，李大釗等於1926年3月下旬，關閉了設在翠花胡同的國民黨黨部辦公處所，將國共兩黨北方領導機關搬進東交民巷蘇聯大使館西院的一個舊兵營內。李大釗的妻子和兩個女兒也一同住到蘇聯使館內。
似乎是李大釗等的建議起了作用，4月9日夜，駐北京的國民軍鹿鍾麟部包圍了國務院，推倒了段祺瑞政府。但鹿同時恢複了曹錕的自由，並電請吳佩孚入京“主持一切”，仍打算實現國民軍和直係軍閥聯合，共同製奉的局麵。結果在遭到吳的再次拒絕後，國民軍才終於不得不撤出北京，退往南口。幾天後，奉軍和直魯聯軍開進北京。
在奉係和直係軍閥的高壓之下，北京已無法開展群眾工作。國民黨主要領導人徐謙、顧孟餘等相繼離京南下，中共中央也準備調李大釗去武漢，但李大釗認為北京的工作仍很重要，堅持留下來。
在蘇聯使館內居住的一年多時間裏，李大釗除了在中共北方區委主辦的《政治生活》上繼續發表一些文章外，投入較大精力的是配合廣東國民政府的北伐，繼續從事北方非奉、直係軍隊的統戰工作。他曾委托於右任去蘇聯說服在那裏考察的馮玉祥，致使馮下決心回國，發動了“五原誓師”。他還致信晉係軍閥閻錫山，勸其參加北伐。
這些工作取得了一定的效果。閻錫山後來將自己的軍隊改稱國民革命軍，山西改懸青天白日旗。他並非幫助共產黨人，而是為了發展自己的勢力，保住和擴大自己的地盤。馮玉祥後來充當了國民黨寧漢兩方的調停角色，亦絲毫沒有給危難中的共產黨人以幫助。盡管如此，他們對國民革命軍的北伐予以了支持，加速了奉、直兩係軍閥的滅亡。
1927年4月，奉係軍閥控製下的北京政府在經過較長時間偵察，發現了李大釗等人的行蹤。6日上午，全副武裝的軍警300餘人包圍了蘇聯使館。李大釗與妻子、兩個女兒，連同滯留北京地區的國共兩黨工作人員及蘇方人員共60餘人一同被捕。此後22天，李大釗在警察廳的看守所裏度過了他一生最後的時光。
沒有什麼確鑿的材料證明，李大釗在看守所或審判中受到了“嚴刑拷打”；也沒有什麼材料確證奉係軍閥采取後來國共對立時期國民黨政府對待被捕的共產黨領導人那樣的做法：讓李大釗寫一份脫離共產黨或國民黨的聲明或“自白書”之類，作為恢複其自由的條件。但有一點，張作霖與後來的蔣介石是相同的，就是對於李大釗這樣的人物是殺還是放，取決於他在當時的形勢下想要造成什麼樣的社會影響。
李大釗被捕後，表現出了一位徹底的唯物主義者的無私無畏的英勇氣概，他“態度甚從容，毫不驚慌”，“儼然一共產黨領袖之氣概”；“精神甚為煥發，態度極為鎮靜，自稱為馬克思學說崇信者，對於其他之一切行為，則謂概不知曉”。他“在獄二十餘日，絕不提家事”。當他在審訊處最後一次，也是唯一一次見到自己的妻子、女兒時，隻靜靜地看了看她們，沒有對她們說一句話。