1921年5月，因病回上虞，但心里一直挂念着革命，为了在家乡开展革命活动，他到上虞第一小学任教，积极向进步教师推荐《新青年》，介绍十月革命。1922年9月，春晖中学正式开学，经亨颐出任校长，他应聘到该校教务处工作。不久，叶天底和部分教师在校外办起“农人夜校”，组织农民学文化。 1923年秋，叶天底再次去上海，后由“东方艺术研究会”选派去任《民国日报》副刊《艺术评论》的编辑。这期间，叶天底还经常去上海大学听课，接受马克思主义教育，并与陈独秀、翟秋白、罗亦农、浑代英交往频繁，于1923年底加入中国共产党。

1924叶天底应邀去苏州乐益女中任教，他以教师职业为俺护，开辟党的据点，1925年9月，中共上海区委委派候绍裘，在乐益女中秘密主持建立了中共苏州独立支部，直属上海区委领导，叶天底任支部书记，这是苏州第一个中共组织。

1929年春，身患重病的叶天底回家乡发展党的组织，开展农民运动。在叶天底等努力下， 1926年7月上虞县第一个党组织——上虞县直属支部成立。从此上虞的革命运动在党领导下蓬勃发展起来。这年冬天，在党领导下，全县各地先后组织了农民协会，开展反霸斗争，叶天底大义灭亲，支持农民把他的舅父俞恒山这个恶贯满盈的土豪劣绅抓出来，召开大会开展斗争。这一行动鼓舞了上虞农民，有力推动了全县农民运动的发展。这时不少官僚地主、土豪劣绅齐集杭城密谋策划暗杀叶天底，由于他早有警惕，又有群众保护，敌人几次下毒手暗害都未得逞。

1927年，在白色恐怖下，上虞党组织被破坏，革命遭到挫折，叶天底不顾个人安危，坚持斗争，重建党组织，秘密组织农会，成立小型武装队伍，开展减祖活动。

1927年11月，中共浙江省委遵照“八七”会议精神，决定组织浙东秋收大暴动。叶天底负责组织和指挥占据上虞城，消灭反动武装，叶天底带病与党支部同志研究，决定分头发动农民，组织人员，调配武装力量，制订行动路线，待命行动。但计划被敌人探悉，叶天底在上虞被捕，不久被转押到杭州浙江陆军监狱。

在狱中，敌人用种种手段迫使叶天底放弃共产主义信仰。但都被他顶了回去。敌人只好降低要求，对叶天底说：“只要讲一句“我以前走错了路，就可放您’”。他理直气壮地回答：“我天底走的是正大光明的路！没有错！”他还对亲友说，“我天底相信共产党，加入共产党。我遗憾只是替党做事太少了，…为共产主义而死是光荣的。”他在给哥哥的信中说，“大丈夫生而不力，死又何惜，先烈之血，主义之花。……我决不愿跪着生，情愿立着死！”1928年2月8日，刚满三十岁的叶天底在刑场英勇就义。人们感叹：“天底真是头可断而志不移的大丈夫！”