离开陕西，只身回到北京，继续从事党的地下工作。
从这年4月李大钊被捕牺牲后，北方各级党组织不断遭到破坏，陈镜湖与党组织失掉联系。他和刘刚（原内蒙特委领导成员）一起，经过长途跋涉，到达苏联，找到共产国际，接上了党的组织关系。不久，陈镜湖回国，根据中共中央的指示，恢复、整顿内蒙特委，于同年9月组成新的特委，他担任书记，改名为李铁然，继续组织和发动蒙、汉各族人民开展革命斗争。一年多中，他向中共中央写了《内蒙党报告》、《内蒙特委致中央的信》、《内蒙特委书记李铁然报告》、《内蒙古一般政治状况分析》等十余份材料，为中共中央指导内蒙工作提供了可靠的依据。
1931年7月，日寇在我国东北制造“万宝山惨案”，杀害无辜农民，引起全国人民的强烈抗议，热河等地人民纷纷组织了“惨案后援会”进行声援。陈镜湖亲自到围场县，具体指导“后援会”的工作。同年发生“九？一八”事变后，他立即以内蒙特委的名义，向蒙汉各族人民发出了“团结全国各民族，反对日本帝国主义侵略”的号召，并将“惨案后援会”改称“民众抗日后援会”，一面尽力和中共中央取得联系，一面注意分析形势，不失时机地发动和组织人民群众进行抗日救亡斗争。
1932年末，陈镜湖赴上海向中央汇报工作回来后，在北平主持召开了内蒙特委会议，传达了中央的指示，决定成立蒙汉抗日同盟军事委员会，组织抗日武装打击日寇，并发表了《坚决抵抗日本帝国主义的宣言》。会后，他到各地发动群众，组织武装，为后来抗日同盟军的成立奠定了基础。
1933年春，在中国共产党的推动和影响下，爱国将领冯玉祥、吉鸿昌等准备在张家口建立“察哈尔民众抗日同盟军”。陈镜湖根据党的指示，迅速带领一部分同志从围场奔赴张家口，协同冯玉祥组织长城内外各旗县武装民团参加抗日同盟军，并出任同盟军总司令部参议。5月12日，陈镜湖带领参谋、警卫员从张家口乘汽车到张北点验抗日武装队伍，途中遭到反动民团的袭击。在战斗中，陈镜湖不幸中弹牺牲，时年仅33岁。
（根据刘景恩、李久荣《陈镜湖烈士传略》整理）