1927年初，毛泽东回到湖南考察农民运动，毛福轩自始至终陪同和协助毛泽东到银田寺、清溪寺、毛震公祠及湘乡等地考察农民运动。正是这次考察，毛泽东写出了著名的《湖南农民运动考察报告》。

　　1928年春，毛福轩被调往上海，从事党的地下出版工作，在国民党警察局坚持秘密工作长达4年之久。1933年，2月27日，由于叛徒出卖，毛福轩被国民党特务秘密逮捕，后押解至南京。敌人对他进行严刑逼供，他始终坚贞不屈。他在遗书中写道：“余为革命奋斗牺牲，对于己身毫不挂虑”。1933年5月，毛福轩在南京雨花台英勇就义，时年36岁。