1937年卢沟桥事变爆发后，中共中央为发展抗日力量，确定了抗日民族统一战线的方针策略，从而揭开了全民族抗战的序幕。8月，毛泽东在延安窑洞接见了罗世文，决定派他作为中共中央代表，回四川与刘湘、邓锡侯等地方实力派人物联系、谈判，促使刘、邓等人参加抗日民族统一战线，推动四川的抗日救亡运动。

在川期间，罗世文还以中共代表身份先后展开了对刘文辉、潘文华、田颂尧等人的争取工作。促使这些地方实力派人物在抗战初期倾向于抗日民族统一战线，从而对蒋介石的反共政策作了一些抵制，并且还在一定程度上开放了民主，有利于四川各地抗日救亡运动的开展。

罗世文在进行上层统战工作的同时，还指导了成都地区的抗日救亡运动，促成了“中华民族解放先锋队成都部队”与“海燕社”的合并；并亲自创建了《新华日报》成都分馆，为宣传抗日救亡运动做出了贡献。1938年11月，川康特委成立，罗世文任特委书记，具体领导了川康党的组织发展工作。

1939年底，国民党顽固派发动了反共高潮。1940年3月14日，国民党特务在成都策划了“抢米事件”，诬蔑共产党鼓动饥民抢米，妄图暴动，从而借机镇压地下党员和进步人士。面对敌人的白色恐怖，罗世文及时召开紧急会议，通知已暴露的党员立即疏散转移，同志们也劝罗世文尽快离开成都，但他置个人安危于不顾，决定留下来继续坚持工作。3月18日，罗世文在去成都祠堂街《新华日报》成都分馆处理机密文件时，被事先埋伏的特务逮捕。当晚，特务们又在努力餐馆逮捕了车耀先。

罗世文、车耀先被捕后，拒绝与国民党“合作”，先后被囚禁于重庆歌乐山军统局白公馆监狱、贵州息烽集中营长达6年之久。在狱中，罗世文始终坚贞不屈，保持了革命者的气节。他与车耀先、韩子栋、许晓轩等秘密建立了狱中临时党支部。罗世文任书记，车耀先、韩子栋任支委，领导和团结狱中的革命同志与特务展开斗争，使难友生活逐步得到部分改善，取得了散步、晒太阳、看书、看报纸等权利。党支部还利用一切机会与监外党组织取得联系，以便里应外合，组织狱中暴动或争取狱外援助。

罗世文、车耀先被捕后，中共党组织曾多次与国民党交涉，要求释放罗世文、车耀先。1945年国共谈判期间，毛泽东、周恩来再次向蒋介石提出释放罗世文、车耀先的要求。蒋介石却诡称罗、车已被处决，同时命令将二人更严密地监禁起来。

1946年7月，息峰监狱撤销，罗世文、车耀先等人被秘密押回重庆渣滓洞监狱。8月，特务们放出“和谈”空气，说要将罗、车二人转送南京释放，一些难友信以为真，很为他俩高兴。而罗世文却清醒意识到，最后的时刻到了，遂托狱中难友带信给堂兄罗世嶷、罗世襄(两人都是大学教授)，请他们让王一苇将母亲接去同住，以慰晚年。同时他把自己和党支部多年储存下来的一万元悄悄交给“老宋”（宋绮云）作为党的活动经费，并在一本俄文书籍扉页上写下了给党组织的绝笔书：“据说将押往南京，也许凶多吉少!决面对一切困难，高扬我们的旗帜!老宋处尚留有一万元，望兄等分用。心绪尚宁，望你们保重、奋斗。”

1946年8月18日下午3时，罗世文、车耀先被特务秘密押至松林坡戴笠停车场的草地旁。就义前，罗世文面对歌乐山连绵的群峰、苍翠的松林，高声朗诵了孕育已久的诗篇：“故国山河壮，群情尽望春。‘英雄’夸统一，后笑是何人？”