１９３０年４月，柳直荀受命到洪湖革命根据地工作，任红二军团政治部主任、军团前敌委员会委员兼红六军政委。１９３１年３月，红二军团改称红三军，柳直荀任红三军政治部主任和前委委员。他与贺龙、段德昌等同志率部队打退了敌人的多次围攻，使湘鄂西革命根据地得到了巩固和发展。
１９３１年６月，中共鄂西北临时分特委成立，柳直荀任特委书记兼房县县委书记。此后，柳直荀先后受命组编红二十五师、鄂西北独立团、洪湖独立团，后合编为红八师，柳直荀均兼任政委，为巩固和发展革命根据地做出了巨大贡献。
在此期间，党内和根据地内“左”的错误方针和政策发展起来，柳直荀因坚决反对，于１９３２年春夏间被撤销了在党和红军中的领导职务。１９３２年９月，柳直荀遇难牺牲，时年３４岁。１９４５年４月，中共中央给柳直荀平反昭雪，追认为革命烈士。
１９５７年５月１１日，毛泽东复信柳直荀夫人李淑一，并附《蝶恋花·答李淑一》词一首，“我失骄杨君失柳，杨柳轻飏直上重霄九”，表达了毛泽东对柳直荀的怀念之情。
