俄國十月革命的勝利，第一次世界大戰的結束，給李大釗的思想帶來了一個轉折性的變化，他從激進的革命民主義主義者，開始成為馬克思主義者。五四運動時，他作為運動的組織者和領導者之一，影響了一大批青年積極分子。他不僅親自走上街頭，散發傳單宣言，而且發表論文，抨擊帝國主義侵略中國的罪惡行徑，要求不承認帝國主義的秘密外交，實行民族自決。當胡適發表《多談些何題，少談些主義》，他立即撰文作了駁斥，認為研究實際的問題和宣傳理想的主義是相輔相成的，二者並行不悖，批判了胡適的改良主義思想。1920年，他在北大秘密發起成立馬克思主義研究會，後來在北京成立共產黨小組，同時在北大開設唯物史觀研究、史學思想史、史學概論等課程，積極宣傳馬克思主義和唯物史觀。
在這兩年中，他學習運用嶄新的唯物史觀，撰寫了大量有關史學的論文，如《法俄革命之比較觀》、《我的馬克思主義觀》、《唯物史觀在現代史學上的價值》、《物質變動與道德變動》、以及《鮑丹的曆史思想》等多篇介紹和研究西方學者曆史思想的論著，’係統地介紹了馬克思主義的三個組成部分，即曆史唯物主義、剩餘價值學說和階級鬥爭學說，對唯物史觀、政治經濟學和科學社會主義理論中精當核心部分作了粗略的勾勒，對生產力與生產關係、經濟基礎與上層建築、階級鬥爭和剩餘價值學說作了分別介紹，強調社會的物質的生產方式特別是人類的經濟生活是社會發展的根本條件，上層建築的變動受到經濟基礎強有力的製約。對唯物史觀在史學研究中的指導意義特別作了闡發，強調人類曆史發展的連續性，要全麵觀察曆史，要用唯物史觀批判舊的機械的史觀，以明了曆史發展的大趨勢’並從經濟基礎決定上層建築的變動角度指出舊的思想、舊的道德，必然消亡，新的思想和道德必然發生，沒有萬世不變的法則，為新文化運動的開展和思想解放運動作了有力的理論說明。
1921年，中國共產黨在上海成立，李大釗因在北京組織領導各高校向政府索要欠薪的活動，未能參加。第二年，中共在上海召開第二次全國代表大會，李大釗當選為中央委員。這年8月，他風塵仆仆趕往上海，然後出席中共中央在杭州召開的一次特別會議，集中討論共產黨員加人國民黨的問題，會上李大釗堅決支持共產國際的指示，主張共產黨員參加國民黨，組成聯合戰線。陣後會見孫中山，商討國共合作問題。在此後的工人運動高潮中，李大釗一直是積極的組織者、支持者。“二七慘案”發生時，李大釗正在武漢，因受北洋政府通緝，不久移往上海。後回北大繼續講授唯物史觀。1924年，他奔赴廣州，出席中國國民黨第一次全國代表大會，會上接受中國共產黨提出的反帝反封建主張，重新解釋了三民主義，民族主義謀求民族自決解放，消除帝國主義的侵略，對內各民族一律平等，民權主義要實現普遍平等的民權，民生主義主張平均地權，節製資本。會上李大釗當選為中國國民黨中央執行委員。回京後，因北洋政府搜捕共產黨員，李大釗被迫避走昌黎五峰山。在避難期間，接到中共中央通知，委派他為中共代表團首席代表，前往莫斯科參加共產國際第五次代表大會。到達莫斯科後，他積極向國際人士介紹中國共產黨的活動和政策。這年9月，馮玉祥發動政變，10月電請孫中山北上共商大計，李大釗得到這一消息後，冒著遭受逮捕的危險毅然於10月回到北京，並負責中共北方區執行委員會的工作。
在從事繁忙革命活動的同時，李大剣陸續發表了多篇史學理論著作，對建立馬克思主義史學的理論體係作了初步探索。在《史學與哲學》的演講中，他闡述了史學研究的基本知識，著重說明史學與哲學的關係，以及史學和哲學對人生的影響，在引征批判前人見解的同時，初步整理出史學研究的一些基本要素，以及其內在結構。在《史學概論》中，他指出隻有馬克思才把曆史的真正意義發明出來，才真正從本質上觀察曆史，曆史是不斷發展變化的、有生命的、進步的，曆史是社會的變革，人類的社會，按時間的，縱起來看是曆史，按平麵的、空間的，橫起來看是社會。由此，他借用古希臘史家希羅多德的話，指出曆史研究的任務一是整理事實，尋找它真確的證據，二是理解事實，尋出它進步的真理。
1924年出版的《史學要論》一書是李大釗闡發馬克思主義史學理論的代表作，對什麼是曆史、什麼是曆史學、曆史學的係統，史學在科學中的位置、史學與其他相關學問的關係、現代史學的研究及其於人生態度的影響6個問題作了比較全麵的闡發，認為曆史是人類的生活及作為其產物的文化，是社會的變革，曆史學所要研究的是人類生活的變遷，而不能說浩瀚的史書典籍就是曆史，它們隻是研究曆史的材料，同時馬克思的唯物史觀指出人類曆史的發展必須從它的社會經濟結構中加以解釋，從中尋求曆史發展的客觀規律，治史必須有科學的態度，凡事不可盲從輕信，必須有疑，要找出確實的證據，在這一基礎上，實事求是地研究，而且必須采取發展的觀點。針對當時學術界普遍輕視曆史理論的狀況，李大釗還在《史學要論》中辟出專章，討論了曆史理論的構建框架，提出曆史理論至少可包括6個方麵，即人類經曆論、民族經曆論、國民經曆論、社團經曆論、氏族經曆論和個人經曆論，並對這6個方麵的研究對象和各自的作用都作了大體的規定，認為在研究次序上，可以“個人經曆論”為著手處，然後漸及於關係複雜、範圍廣大的種種共同生活經曆。同時，他還對曆史學與文學、哲學、社會學等相關學科的研究對象、方法作了比較，分析了其間的區別和聯係，要求依據曆史研究本身的特點吸收相關學科的知識，以推進本學科理論的建設。
此外，李大釗在《原人社會於文字書契上之唯物的反映》、《由經濟上解釋中國近代思想變動的原因》等史論中，還運用唯物史觀的原理，對中國古代社會的發展階段和近代社會變動及其民族革命運動的性質與特點等問題作了認真研究，提出了不少具有開拓性的新穎見解。這些，都為日後馬克思主義史學在中國的確立和成長提供了必要的理論準備和可貴的經驗。
從蘇聯回國後，他繼輝在北京大學講課。1925年，孫中山在北京病重，遂揞派北京的國民黨中央執、監委員組成中國國民黨政治會議’以代替孫中山處理在治病期間的一切政治事務，李大釗作為一員在其中負有諸多重任，他與其他幾位人士一起堅決反對國民黨右派的分裂活動，維護了中國共產黨的地位和作用，保持了統一戰線的鞏固。在“五卅運動”中，李大釗領導北方區委組織各階層人民示威遊行，組織發動工人運動，進行反帝鬥爭。1926年，段祺瑞政府在執政府門前屠殺愛國學生，發生了震驚中外的“三一八慘案”。之後，反動政府到處搜捕革命人士，為保存革命的有生力量，李大劍率領國共兩黨的黨部機關遷入蘇聯大使館西院舊兵營內，繼續進行革命活動。此後，許多人陸續離京南下，而李大釗堅持留在北京，肩負領導北方革命重擔，繼續鬥爭。
1927年，北伐革命節節勝利，捷報頻傳，上海又先後發生三次工人武裝起義，最後奪取上海，這使奉係軍閥驚恐萬分，張作霖以前方作戰吃緊，京師安全至關重要為由，大肆搜捕革命人士，對移至蘇聯大使館西院的北方國共兩黨的機關更暫是耿耿於懷，在其他帝國主義國家的默許支持下，遂於4月6日派大批軍警闖入東交民巷外國使館區，大肆搜捕，李大釗不幸被捕，於4月28日被反動軍閥絞殺於京，死時年僅39歲。