Về Việt Nam

Ngày 28 tháng 1 năm 1941, Phùng Chí Kiên cùng Hồ Chí Minh về Pác Bó, tỉnh Cao Bằng. Ông tổ chức các lớp huấn luyện, đào tạo cán bộ Việt Minh cho các tỉnh Cao Bằng, Bắc Kạn, Lạng Sơn và các tỉnh miền xuôi. Ông tham dự Hội nghị Trung ương lần thứ 8 (tháng 5 năm 1941) do Nguyễn Ái Quốc chủ trì và được bầu vào Ban Chấp hành Trung ương; được cử trực tiếp tổng chỉ huy Khu căn cứ Bắc Sơn, thành lập và chỉ huy trưởng Đội Cứu quốc quân 1, tham gia khởi nghĩa Bắc Sơn.

Chống càn và tử trận

Cuối tháng 6 năm 1941, chính quyền thực dân Pháp huy động tới 4.000 quân [cần dẫn nguồn], tổ chức thành ba mũi tấn công mở cuộc càn quét lớn vào khu căn cứ nhằm tiêu diệt cơ quan đầu não của Việt Minh và lực lượng vũ trang mới hình thành. Các cơ sở bí mật của Trung ương Đảng và Cứu quốc quân bị uy hiếp nghiêm trọng. Trong cuộc họp khẩn cấp tại Khuổi Nọi (xã Vũ Lễ), Ban chỉ huy Cứu quốc quân quyết định cử một tổ bảo vệ và dẫn các cán bộ lãnh đạo Trung ương Đảng Cộng sản qua Tràng Xá về xuôi an toàn.

Phùng Chí Kiên chỉ huy đội Cứu quốc quân Bắc Sơn chiến đấu, phá một số trận càn lớn của Pháp. Do chênh lệch lực lượng và vũ khí, Ban lãnh đạo căn cứ Bắc Sơn-Võ Nhai quyết định để lại một tiểu đội chặn đối phương, còn hai tiểu đội phá vòng vây, rút lên Cao Bằng để bảo toàn lực lượng.

Ngày 19 tháng 8 năm 1941, cánh quân của Phùng Chí Kiên và Lương Văn Tri qua Pò Kép (châu Na Rì, Bắc Kạn) thì bị đối phương phục kích nhưng thoát được.

Ngày 21 tháng 8 năm 1941, đơn vị lại bị phục kích và bị bao vây tại xã Bằng Đức trên đường đi Cao Bằng. Lương Văn Tri bị thương rồi hy sinh. Mặc dù bị thương nặng, Phùng Chí Kiên vẫn bắn chặn quân đối phương để đồng đội thoát khỏi vòng vây. Bắn hết viên đạn cuối cùng, ông bị đối phương bắt.

Ngày 22 tháng 8 năm 1941, đối phương chặt đầu ông rồi đem cắm ở đầu cầu Ngân Sơn để hòng uy hiếp tinh thần cán bộ, nhân dân địa phương.