1925年底，邓演达回国出席国民党第二次全国代表大会，当选国民党中央候补执行委员，并任黄埔军校教育长。
北伐期间，邓演达担任国民革命军总司令部政治部主任，主持国民革命军的政治工作并参与中路军的军事指挥。他积极推广军队政治工作制度，扩大健全总政治部组织机构，支持了北伐军的军事行动。总政治部在各个军设立政治部，军之下各师也设立政治部。国民革命军8个军中，除第一军和第五军外，全部由共产党员任党代表或政治部主任，如李富春、朱克靖、麦朝枢、林伯渠分任第二、三、四、六军政治部主任。
北伐军占领武汉后，邓演达兼任湖北省政务委员会主任和北伐军武汉行营主任，是武汉国民政府中著名的国民党左派领导人。
1927年3月，邓演达出席国民党二届三中全会，当选为国民党中央执行委员、中央政治委员会委员、中央军委主席团成员和农民部部长，并任中央军委总政治部主任。国民党中央农民部决定在武昌创办中央农民运动讲习所，毛泽东实际负责农讲所的工作，邓演达对此给予支持。大革命失败后，邓演达先后到苏联、德国以及一些欧亚国家考察。
1930年5月，邓演达秘密回到上海，同年8月9日在上海主持召开第一次全国干部会议，正式成立了中国农工民主党的前身——中国国民党临时行动委员会，主张反帝反封建，推翻南京反动统治，建立平民政权。
1931年8月邓演达正准备武装起义时，因叛徒告密在上海被捕，同年11月29日被国民党当局杀害于南京。
为纪念邓演达烈士，惠州市和惠城区两级政府共同出资建设邓演达纪念园,并于2010年投入使用，现为广东省爱国主义教育基地、广东省统一战线基地、全国社会科学普及教育基地、惠州市廉政教育基地。电影故事片《铁血丹心邓演达》等纪念邓演达烈士的书籍、影视作品陆续出版发行。
