陈延年在深入开展工农运动的同时，积极开展青年和妇女运动。他在《我们应做什么?》(《做什么》发刊词)一文中，号召青年们要“坚决与一切黑暗的过去奋斗”，参加到革命斗争中去。延年和区委加强青年团和新学生社的领导，成立了广东妇女解放协会，协助周恩来组建青年军人联合会。通过这些群众组织，团结组织各阶层青年和妇女参加反帝反封建的斗争。
陈延年非常重视建立和掌握革命武装，他和周恩来决定选派一批党团贯到黄埔军校学习，以培养军事干部。1924年11月，他协助周恩来建立以徐成章为队长的铁甲车队。1925年，以铁甲车队为基础，组建了以叶挺为团长的独立团。区委抽调有军事知识的干部副农会，扩大健全农民自卫军，把广州工团军改编为工人自卫队，建立省港罢工工人纠察队，这些由党直接指挥的革命武装，支援工农革命运动，保护了工农利益。后来独立团被派为北伐先遣队，工人纠察队和自卫队成为日后广州起义时赤卫队的骨干力量。
在国共合作中，陈延年坚持共产党的独立性，坚持无产阶级领导权，认真执行对国民党左派团结，对右派斗争的方针。在1926年1月国民党“二大”之前，左派和右派的斗争已非常尖锐，陈延年、周恿来等商定了“打击右派，孤立中派，扩大左派”的方针，计划在国民党“二大”会议中彻底铷截和打击右派。但遭到陈独秀的反对。到3月，新右派蒋介石一手炮制了“中山舰事件”，向共产党突然袭击，陈延年和周恩来都支持毛泽东反击蒋介石的正确主张，但又遭到陈独秀、张国焘的对和阻止。时隔两月，蒋介石又在国民党二届二中全会抛出了旨在排斥共产党、分裂国共合作的“墼理党务案”。当时参加会议的共产党人以及陈延年和广东区委都极力反对，但张国焘迫使共产党人接受。陈独秀等接二连三对右派妥协，作了三次大让步，成为导致大革命失败的重要原因。
对陈独秀右倾机会主义的错误主张，陈延年一再反对和抵制。他在逸委会议上，曾尖锐批评陈独秀“不相信工农群众力量”， “在行动上始终不敢同国民党右派作斗争，将会把革命断送。”
陈延年十分尊重廖仲恺等左派，团结他们在反帝反封建斗争中共同奋斗。他对知识分予也很尊重，1927年1月，鲁迅应聘到中山大学任教。陈延年亲自布置欢迎和团结鲁迅的工作，指定学委副书记毕磊与鲁迅联系，陈延年又和鲁迅会见交谈，帮助他了解政治形势和党的政治主张，为党和鲁迅建立密切联系做了重要工作。
1927年3月底，陈延年离开广州去武汉。4月上旬，中央政治局会议通过一个以准备反蒋为中心内容的关于沪区工作的决议案，派李立三、陈延年、聂荣臻到上海贯彻执行。在蒋介石发动“四．一二”政变后的第三天即4月14日，陈延年到达上海。16日由李立三、陈延年、周恩来、罗亦农和赵世炎等组成中共中央上海特别委员会，讨论通过由周恩来起草的《迅速出师讨伐蒋介石》电文，联名发出向中央建议，但不被接受。不久罗亦农调往武汉，陈延年代理江浙区委书记。4月27日，中共“五大”在武汉召开，陈延年当选为中央委员、政治局候补委员。6月，江浙区委撤销，26日江苏省委成立，陈延年任书记。当天下午，他在上海施高塔路恒丰里省委机关研究工作时，由于叛徒供出省委地址，陈延年等四人被捕。吴稚辉得知陈延年被捕消息，大喜若狂。吴在陈延年抛弃无政府主义加入共产党后，就曾咒骂“陈延年非杀不可”，此时立即写贺信给上海警备司令杨虎，在信中大骂陈延年“恃智肆恶，过于其父百倍”，竭力催促杨虎立即进行杀害。7月4日，陈延年英勇就义于上海龙华刑场。
陈延年诚恳待人，团结同志，工作艰苦深入，密切联系群众，生活朴素，他不作闲游，不上饭馆，不讲穿着，不作私交。赵世炎
