Năm 1924, ông thi vào ngạch Phán sự làm việc cho Tòa Khâm sứ Trung kỳ bên cạnh Viện Cơ Mật của triều đình Huế.  Làm ở đó, tận mắt thấy sự thối nát của bộ máy cai trị, cái nhục mất nước, nên ngay từ giữa 1924 ông đã bí mật gia nhập Đảng Tân Việt. Tháng 10-1924 ông bị đổi vào Quy Nhơn. Ông là Bí thư Đảng Tân Việt các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên. Ông cùng với Phan Đăng Lưu  là  nòng cốt trong việc tuyên truyền chủ nghĩa yêu nước và tư tưởng cách mạng giải phóng dân tộc thời bấy giờ ở miền Trung. Ông bắt đầu bằng việc vận động học sinh trường cao đẳng tiểu học. Ông tình nguyện mở lớp buổi tối hướng dẫn một số học sinh năm thứ nhất và năm thứ hai. Những học sinh của ông sau này phần lớn đã tham gia cách mạng như Hoàng Phương Thảo[8]. Nhưng một số người lại theo hướng khác như Cao Hữu Thưởng. Ông đã tổ chức viếng mộ Mai Xuân Thưởng – lãnh tụ phong trào kháng Pháp cuối thế kỷ XIX ở Bình Định – với bức trướng viết:

 Bại trận nhi bất hàng, hùng tâm phiêu vũ trụ, đáo để chiến công lực kiệt, binh tận thế cô, túng sử quốc vận phương long, chí sỹ hồ cam hàm hận huyết

 Đoạn đầu du năng tiếu, nghĩa khí quán càn khôn, tự lai chuyên chế vân loa, nhân vong sự một, ná thử thế tâm mạc đạm, hậu sanh phụng vị hích kỳ danh.

Việt Nam cách mạng nguyên niên

Mạnh đông nhật,

Hậu sanh đồng chí Đồng Sĩ Bình huy luỵ khốc.

Hai trụ biểu của mộ Mai Xuân Thưởng có đôi vế đối, mỗi vế năm chữ: "Hùng tâm phiêu vũ trụ/ Nghĩa khí quán càn khôn"[9] trích từ bức trướng trên.

Cuối năm 1926 ông xin từ chức để làm báo và hoạt động cách mạng. Ông cùng với Bửu Đình viết bài bằng tiếng Việt đăng trên báo Tân Thế Kỷ, bằng tiếng Pháp cho tờ La Cloche Fêlée, (Cái Chuông Rè) – 2 tờ này xuất bản ở Sài Gòn, và L’ Argus Indochinois – xuất bản ở Hà Nội, công kích một số chính sách đàn áp, bóc lột của thực dân Pháp và bọn quan lại Nam Triều. Các sách báo đó đã tác động mạnh mẽ và cổ vũ phong trào đấu tranh của học sinh. Khi nghe tin Phan Châu Trinh mất, ông làm lễ truy điệu tại nhà, có một số học sinh trường Trung học Quy Nhơn tham dự[10]. Gặp lúc cha ốm nặng sắp chết, ông ra Huế để lo việc cho cha.Tết năm Đinh Mão (20-2-1927), nhân dịp học sinh và các nhân sĩ trí thức lên dốc Bến Ngự chúc thọ cụ Phan Bội Châu, ông cùng với Bửu Đình nhảy lên bục diễn thuyết bằng tiếng Pháp[11], hô hào cách mạng, chống thực dân Pháp và đả kích việc nhà Nguyễn đưa Vĩnh Thụy lên ngôi. Ngày 2-3-1927, cha chết. Hai hôm sau, lúc đang làm lễ phát tang cho cha thì bị bắt, ông bị khiêng bằng cái trạc[12] giải lên Huế trong trang phục đại tang[11], gây xôn xao dư luận bấy giờ. Ông bị chuyển đến nhà tù Bình Định. Điểm chính trong cáo trạng của toà án Nam Triều là dòng chữ "Việt Nam cách mạng nguyên niên" trong bức trướng viếng mộ Mai Xuân Thưởng. Ông bị kết án 9 năm tù khổ sai, đày lên Buôn Mê Thuột năm 1928. 

Đầu năm 1930 ông được thả. Thống đốc Thừa Thiên mời ông nhận một chức quan nhưng ông từ chối thẳng thừng và bị quản thúc ở địa phương. Ông mang vật dụng lên ăn ở tại mộ cha mấy ngày đêm để chịu tang bù lại những ngày bố mất, ông bị bắt giam. Mộ cha đặt tại nơi ông đã chọn, trên ngọn đồi nhỏ gần khu lăng Khải Định, ngày ấy còn rất hoang vắng, có nhiều thú dữ. Khi 13 nhà cách mạng Quốc dân đảng của Nguyễn Thái Học bị xử tử, ông đã làm lễ truy điệu tại sân nhà cùng với các trí thức và học trò trong vùng, trong đó có Nguyễn Chí Diểu. Bị bắt lại, ông bị giam ở lao Thừa Thiên. Vì đã chớm bị lao phổi, hàng ngày lính xích tay ông dẫn đi chữa bệnh. Bị nghi ngờ là đã tham gia đảng cộng sản, ông bị đày lên ngục Kon Tum, là một trong những tù chính trị đầu tiên ở nhà ngục này, cùng với lớp lớp tù nhân làm đường ở Đắc Tô. Bị bệnh nặng, sắp chết, mùa hè năm 1932 được thả về quê, sau 25 ngày thì mất ở nhà ngày 14-7 Nhâm Thân (15-8-1932).

Khi ông mất, ký giả Bùi Thế Mỹ[13] làm thơ viếng:

KHÓC ĐỒNG SĨ BÌNH

Đồng Sĩ Bình ơi! Đồng chí Sĩ Bình

Một người yêu nước đã hy sinh

Thương ai tuổi trẻ gan bằng đấu

Xét kẻ lòng son chí chửa thành

Cô Trúc mây lồng, trăng vặc vặc

Mịch Hà[14] sóng gợn, nước xanh xanh

Thân anh dù nát, anh đâu nại

Trách nhiệm mong tròn lũ hậu sanh.