1926年7月，国民革命军从广东出师北伐。9月17日，在中国共产党人刘伯坚等的帮助下，冯玉祥所部在五原誓师，响应北伐战争。吉鸿昌虽然不在五原，但当他听到消息后，立即召集所部，宣讲孙中山的三民主义和联俄、联共、扶助农工的三大政策，并率部参加北伐。

1926年冬，第三十六旅扩编为十九师，吉鸿昌升任师长，率部进驻潼关。在陕西期间，吉鸿昌结识了中共陕西党组织的创始人、国民军联军驻陕西总部政治部主任魏野畴，常在一起谈论革命形势。魏野畴还通过吉鸿昌把许多共产党员和革命青年送进部队，使部队政治工作更加活跃，战斗力大大加强。

1930年春，冯、蒋、阎中原大战爆发，吉鸿昌部被调往前线作战。在这场军阀混战中，吉鸿昌虽然打了不少胜仗，但他看到内战把人民推向更加苦难的深渊，内心痛苦万分。中原大战冯玉祥失败后，为防止蒋介石将西北军瓦解，吉鸿昌得到冯玉祥的同意，接受蒋介石改编。随后，吉鸿昌部改编成第二十二路军，吉鸿昌被任命为总指挥，同时兼三十军军长、三十师师长。在共产党的长期影响和帮助下，吉鸿昌对于“围剿”苏区、攻打红军十分反感和厌恶。在赴欧洲出国考察回国后，吉鸿昌更是意识到，在这民族危亡关头，只有中国共产党才能真正担当起拯救国家与民族的重任。这一年秋，吉鸿昌光荣地加入了中国共产党，由一个爱国的旧军人转变为共产主义战士，从此踏上了新的革命征程。

1933年5月26日，察哈尔民众抗日同盟军宣告成立，冯玉祥发出通电就任总司令，佟麟阁为第一军军长，吉鸿昌为第二军军长。吉鸿昌率领抗日同盟军官兵迅速占领察哈尔省政府，接着又占领了公安局，并将原警察局枪械全部缴获。抗日同盟军总部和新组成的察哈尔省政府委任吉鸿昌为张垣警备司令兼警察处处长、公安局局长。中共河北省委前委领导下的察哈尔御侮救亡会于5月27日召开了民众大会，庆祝抗日同盟军的成立。6月15日，抗日同盟军第一次军民代表大会在张家口土尔沟新村召开。在第一次军民代表大会上，吉鸿昌力主出兵收复察东失地，同时向冯玉祥提出率部亲征。6月20日，冯玉祥任命吉鸿昌为北路前敌总指挥，率部北进。在收复康保、宝昌、沽源等城池后，吉鸿昌又指挥部队向多伦进攻。7月12日终于收复多伦。

8月26日，吉鸿昌率领3000多人试图去商都同抗日同盟军高树勋会合，但遭到国民党军队围追堵截，抗日同盟军险象环生，困难重重。于是，抗日同盟军由西进改为东进，吉鸿昌按照前委的意见与方振武在云州会商，准备一同进攻由国民革命军驻守的北平城。10月11日，吉鸿昌部队遭到敌军大举进攻，成批日寇飞机向驻地投弹轰炸，伤亡减员甚多。为了保存抗日实力，吉鸿昌与方振武到国民党第三十二军驻地同商震谈判。不料，蒋介石却电令商震把吉鸿昌和方振武押送北平审问。途中，吉鸿昌用计使方振武脱身。车行至北平城外，押送人员在吉鸿昌感化下，冒险放走了吉鸿昌。

1934年5月，吉鸿昌在天津组织成立了“中国人民反法西斯大同盟”，他被推为中央委员会及“大同盟”内的中共党团领导成员，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》。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”。吉鸿昌的积极活动引起了敌人密切的注意，“红楼”更是受到了敌人的昼夜严密监视。吉鸿昌为了党组织及同志们的安全，当机立断，改变了联络地点和方法，并秘密地把印刷所转往他处。同时，他还派跟随自己多年的警卫副官牛建中在北平鼓楼大街建立了一个秘密联络站，接待外地来津的反蒋抗日力量代表。八九月间，派往安徽进行发动武装抗日工作的同志被捕，吉鸿昌在天津组织训练武装抗日力量的活动也相继暴露。蒋介石严令北平军分会不惜一切手段逮捕吉鸿昌，同时密令复兴社特务处暗杀吉鸿昌、南汉宸等人。面临危险处境，吉鸿昌首先考虑的是党的工作和同志们的安全。他决定暂时留下坚持工作，让南汉宸先行撤离。

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，被法租界工部局逮捕。22日，在敌人重兵的严密警戒下，吉鸿昌被秘密押解到北平。24日，吉鸿昌英勇就义，年仅39岁。