1928年秋，陈寿昌到中共中央特科做情报和党的地下组织联络工作，为保卫党中央领导机关和党组织的安全做出了贡献。

　　1931年4月，参与领导中央特科工作的顾顺章被捕叛变，对中共中央领导机关和中央领导同志的安全构成极大威胁。在周恩来、陈云、聂荣臻等中央领导的果断指挥下，陈寿昌和其他同志日夜战斗，抢先采取有效措施，保卫了中央机关和中央领导同志的安全。

　　1931年12月，陈寿昌离开上海到中央革命根据地工作。1932年1月，参与组建中华全国总工会中央苏区执行局，任党团书记、主任，1933年2月任中共福建省委书记，1933年7月任中共湘鄂赣省委书记兼湘鄂赣军区政委，1934年2月被选为中华苏维埃共和国中央执行委员，同年6月兼任红十六师政委。

　　1934年10月，中央红军主力长征后，陈寿昌受命于危难之际，留在中央革命根据地坚持斗争。

　　1934年11月，陈寿昌率部在湖北崇阳、通城之间的老虎洞与国民党军遭遇，不幸身负重伤，在崇阳县河坪村壮烈牺牲，时年28岁。