在汽车上，吉鸿昌向押解他的国民党士兵宣讲抗日救国道理。那些士兵得知他就是战功卓著、威震敌胆的吉鸿昌将军，十分敬仰。当汽车离开孙河五六里地之后，士兵闭目装睡，故意给吉鸿昌留个逃走的机会。趁这工夫，吉鸿昌和随从牛建忠跳车逃跑，也潜往天津。

　　察绥抗日同盟军解体后，吉鸿昌被迫转入地下，在北平、天津等地继续从事抗日活动。1934年5月，吉鸿昌回到天津，组织成立了“中国人民反法西斯大同盟”，他被推为主任委员，进行抗日民族统一战线工作。在他家三楼一角，设立了一个秘密印刷所，出版了机关刊物《民族战旗》报。他的住宅也成了党组织的地下联络站，因而被党内同志称为“红楼”。

　　6月，吉鸿昌、南汉宸秘密与西安杨虎城将军取得联系，并得到杨虎城的援助。吉鸿昌积极筹资购买武器，进行武装抗日反蒋的准备工作。他还亲自约原西北军中具有反蒋思想的苏雨生、邢肇棠、雷中田等人来天津，由天津地下党组织集中进行开展秘密武装斗争的训练，然后派往西北、豫南、豫西、安徽等地，组织抗日武装自卫军，作为红色火种。

　　1934年11月9日晚，吉鸿昌在法租界秘密开会时遭军统特务暗杀受伤，被法国工部局逮捕。11月23日，北平军分会举行了一场所谓的“军法会审”。吉鸿昌在法庭上义正词严地说：“我是中国共产党党员，由于党的教育，我摆脱了旧军阀的生活，而转到为工农劳苦大众的阵营里来，为我们党的主义，为全人类解放事业而奋斗，这正是我的光荣……”

　　之后，他被引渡到北平陆军监狱。蒋介石对坚持抗日的吉鸿昌恨之入骨，下达了“立时处决”的命令。11月24日，面对“立时处决”的命令，吉鸿昌镇定安详地向敌人要来纸和笔，挥笔疾书，写了自己坎坷曲折而终于走向革命道路的一生，历述蒋介石祸国殃民的种种丑行。在给夫人胡鸿霞的遗嘱中写道：“夫今死矣，是为时代而牺牲……”然后披上斗篷，从容不迫地走向刑场。他用树枝作笔，以大地为纸，写下了浩然正气的就义诗：“恨不抗日死，留作今日羞。国破尚如此，我何惜此头！”他牺牲时年仅39岁。