1923年初，经李大钊、刘天章介绍，李子洲加入中国共产党。同年夏，从北大毕业回陕，先后在三原渭北中学、榆林中学任教。1924年冬，李子洲等人在四师成立了陕北第一个社会主义青年团支部，并帮助榆林中学和延安四中建立了党团组织，选派刘志丹等一批党团员进黄埔军校学习军事政治，派党团员到陕北军阀部队做兵运工作，发展百余名官兵加入了中共党团组织，为这支部队后来发动清涧起义打下了组织基础。他还组织成立了陕北国民会议促成会，开展轰轰烈烈的反军阀斗争。

　　1926年12月，李子洲奉调到西安参加筹建国民军联军驻陕总司令部和改组国民党陕西省临时党部的工作。1927年1月，当选为国民党陕西省党部执行委员兼青年部部长。

　　1927年2月，中共陕甘区执行委员会在西安成立，李子洲任执委委员，分管组织工作，在他和战友们的共同努力下，陕甘40多个县市成立了党团组织，农民运动轰轰烈烈。1927年6月，冯玉祥追随蒋介石在陕西进行“清党”，并电令留守陕西的石敬亭逮捕李子洲等共产党人，他被迫转入地下坚持斗争。7月，中央撤销陕甘区委，成立陕西省委，李子洲当选为省委常委兼组织部长。同年9月，兼任中共陕西省委军委书记，参与了省委对清涧起义、渭华起义的领导决策工作。

　　1928年11月，李子洲代理中共陕西省委书记。1929年2月，由于叛徒出卖，省委机关遭到严重破坏，李子洲被捕入狱，同年6月18日在狱中病逝，时年36岁。