1927年初，中国共产党决定在上海发动第三次工人武装起义。2月28日，瞿秋白在上海区委会议上建议：区委会议请王一飞参加。自3月1日起的区委会议，王一飞都准时出席。军委书记周恩来向上海区委特委会推荐：王一飞参加上海工人第三次武装起义军事准备工作，又以中央军委名义宣布这项决定。3月21日，上海第三次工人武装起义的枪声打响了，在中国工人运动史上写下了光辉的一页。

　　四一二反革命政变后，党的工作暂时转入秘密状态。在4月下旬的一次上海区委主席团会议上，周恩来再次推荐王一飞抓军事工作。

　　1927年5月15日，中共中央军委随中共中央机关由上海迁武汉，王一飞随同前往。5月25日，中共中央政治局常委会议任命周恩来为中共中央军事部部长（即中央军委书记——笔者注）。中央军事部内设军事委员会，周恩来兼主任，聂荣臻、欧阳钦等领导的中共湖北省委军委充实到中央军委机关，聂荣臻任中央军委参谋长，王一飞任中央军委秘书长。

　　中央军委在汉口友益街余积里一栋两层小楼里办公，门口挂着“杨公馆”牌子。军委秘书长王一飞，几乎每天都外出联系工作，或开会、或约见在国民革命军中担负师、军级政治工作的共产党员，为使党能够直接掌握更多的武装力量费尽了心血。中央军委的重要文件，大多由王一飞起草经周恩来审定签发。周恩来与苏联军事总顾问鲍罗廷谈话，王一飞作翻译，准确地译出双方所表达的意思。中央军委驻武汉期间，王一飞协助周恩来妥善安排了朱德、陈毅、刘伯承、邓小平等人的工作。

　　1927年8月7日，中共中央在湖北汉口召开紧急会议。王一飞为中央军委代表同中央委员、中央候补委员、中央监委、共青团中央、湖南和湖北省的代表共21人出席会议。

　　党的八七会议后，为加强鄂北秋收起义的领导，中共中央派王一飞前往该地指导。9月上旬王一飞到了襄阳、枣阳，了解到当地农民运动处于低潮，毅然停止在鄂北发动秋暴的计划。王一飞从实际出发，事实求是的决定竟遭到中央个别领导人的指责，王一飞不屑申辩。9月下旬，党中央安排王一飞返回汉口，中共中央领导机关陆续迁上海后决定在武汉设立由罗亦农负责的长江局，王一飞为长江局成员。10月初，党中央致函中共湖南省委：派王一飞、罗亦农为中央特派员赴湖南召开省委紧急会议，改组湖南省委，决定湖南省委的工作方针。不久，中共中央任命王一飞为中共湖南省委书记。

　　1927年11月9日至10日，瞿秋白在上海主持召开中共中央临时政治局会议。中共中央致信两湖省委，责成两省同时发动暴动。12月10日，暴动开始。总指挥王一飞身先士卒，率数十名武装工人进攻敌军卫戍司令部。因寡不敌众，暴动失败了。

　　1928年1月上旬，由于叛徒任卓宣告密，中共湖南省委及长沙市委等机关先后被国民党长沙反动当局破坏。中旬某日，王一飞、李子骥、涂正楚等省委领导成员开会时被捕。

　　1928年1月18日，年仅30岁的王一飞从容就义于长沙教育会坪。周恩来和罗亦农得悉十分悲痛，即委托邓颖超将王一飞遇害的噩耗委婉地转告陆缀雯，表示深切的慰问和哀悼。