1926年国共第一次合作，进行北伐战争。1927年北伐军到达徐州，陈履真欢欣鼓舞，毅然离校到达南京要求参加北伐。

　　1927年蒋介石发动了“四一二”反革命政变。萧县籍的共产党人刘亚民由武汉来南京“江北避难同乡会”暂住。他一来就组织大家参加读书会，陈履真在读书会中受到了深刻的教育，认清了蒋介石反革命的真面目，决心跟中国共产党走。同年冬天，陈履真跟着刘亚民回到萧县干革命。1928年，陈履真在萧县永堌教书期间，由刘亚民和秦雅芬（县委妇女部长）介绍，加入了中国共产党。陈履真入党后，被调到萧县担任青年部长。不久，国民党在萧县进行清党，中共萧县县委转入地下，他被党派到上海。在此期间，他参加了群众性反帝斗争，有次他被巡捕逮捕，关押在提篮桥监狱一个多月，因他什么都没有说，敌人抓不住他的证据，只好将他释放。

　　1929年8月，党组织调他到中共中央党校学习。这时秦雅芬也在这里学习，两人感情很好，结为革命伴侣。10月，陈履真、秦雅芬同时被调往徐州，陈履真任徐海蚌特委宣传部长，秦雅芬任秘书。徐海蚌特委下设30多个县，陈履真殚精竭虑，辛勤工作，四处奔波，很快打开了工作局面。1930年5月，他又调任蚌埠特委（长淮特委）书记，以后又担任江苏省委巡视员。

　　1931年陈履真夫妇调上海，8月，陈履真任中共上海沪东区委书记。他努力工作，使党组织有了相当的发展。这时党的六届四中全会已开过，王明“左”倾教条主义在党内占了统治地位。同年“九一八”事变，日寇侵占了中国的东北。国难当头，沪东工人和各界人民抗日情绪日益高涨，陈履真全力领导了沪东区工人反帝总同盟罢工委员会的工作，他还领导各界人民支援十九路军的抗日。这时，王明一味要求全党起来打倒世界上所有的帝国主义，打倒中国所有的剥削阶级及小资产阶级。1931年9月，王明布置江苏省委组织上海全党为纪念苏联十月革命而进行一系列游行示威，强迫党、团员不断进行暴动，因而给革命造成了极大的危害。

　　陈履真有较高的马列主义水平，在实际斗争中总结了一些经验教训，认识到王明一套行不通。他在党刊《做什么》上写的《十六号撤兵问题与组织十五号示威》一文中指出：按马克思主义的分析，我国的国民应分为四个阶级即地主、资本家、小资产阶级、工人。无产阶级应与小资产阶级联合起来一起革命，无产阶级与小资产阶级的关系就好似大哥二哥。他为了减少损失，对江苏省委布置的公开活动进行了一定程度的抵制，引起省委的不满。执行王明路线的江苏省委见陈履真不能执行“左”的路线，经过多次“批评”，陈履真仍坚持自己的观点，与王明唱对台戏。为此，省委多次组织力量对陈履真进行围攻，还给他扣上改组派、取消派、右派、立三路线等大帽子。1931年12月15日，江苏省委作了《反对沪东党、团两区委争论问题的结论》。最后陈履真受到降级处分，被调到沪西担任罢工指挥部负责人，沪东区委委员受集体处分。

　　1932年下半年，陈履真调中共江苏省委组织部工作。这时白色恐怖笼罩着上海。党为了保存和培养干部，决定陈履真夫妇离开上海，赴苏联学习。10月，陈履真办好了出国手续，在徐州等候秦雅芬和女儿，准备汇合后一起动身。几天后的一个深夜，叛徒陈资平（原徐海蚌特委书记）陈亨洲（陈履真连襟，原团江苏省委书记）带领十几个武装军警，由秦雅芳（秦雅芬妹妹）带路，闯进了陈履真的住所，陈履真被捕，被押解到南京国民党宪兵司令部监狱。

　　敌人多次对他进行严刑审讯。在审讯室里，陈履真戴着手铐脚镣，身上血迹斑斑，昂首挺立，敌人用尽酷刑，仍一无所得。宪兵队长凶狠地说：“你只要在这张表上签个字，就能自由。”陈履真冷笑了一下说：“我的名字好写，那样不就变成狗了？我不会从狗洞里爬出去的！”当叛徒陈资平、陈亨洲夫妇来劝降时，陈履真轻蔑地说：“我血管里流着中华民族的血，决不当叛徒！”“共产党员的心，叛徒是永远理解不了的。”

　　临刑这天，寒风凛烈，乌云遮天。陈履真在雨花台刑场上昂首挺胸，视死如归，闭口不言。刽子手举枪了，敌人再问：“现在放你出去，你要干什么？”陈履真响亮地回答：“干共产党！”接着他高呼“共产党万岁！”展示了陈履真为真理而宁死不屈的共产党人的光辉形象。敌人的枪响了，陈履真倒在血泊中，时年25岁。