1936年1月，张浩开始参加政治局工作。1937年8月，张浩又担任了中央军事委员会委员职务。红军改编为八路军后，张浩又被任命为一二九师政委，参加指挥了忻口战役、娘子关战役和夜袭阳明堡机场的战斗，沉重地打击了日军的嚣张气焰。在紧张艰苦的战斗生活中，张浩的身体每况愈下，不得不于1938年返回延安。
返回延安后，张浩拖着病体积极开展工运工作，把工人运动和党的抗日总方针、总任务结合起来，积极培养工人干部，让更多的工人参加抗战。日寇占领我国许多大城市后，失业工人很多，不少工人为寻求抗日救国的真理，纷纷来到延安。为提高他们的思想觉悟，张浩先到安吴堡建了一个职工大队，亲任大队长。招收从沦陷区流亡到西安、宝鸡的工人。由于人员增多，他又在延安桥儿沟专门办了一所工人学校，亲任校长。他不仅积极办学，还著书立说，编写职工教材。他根据自己从事工人运动的实践，结合抗日战争的实际情况，写出了《职工问题》、《关于抗战中职工运动的任务》、《持久抗战中的职工运动大纲》等一系列教材。当年听过张浩报告的延安中央研究院的胡真讲道：“当时的延安，张浩是一位威望很高的同志，我没有接触过他，但听过他的报告，他的报告生动、有激情、有鼓动性，而且理论水平高，大家都喜欢听。”
1938年9月29日至11月6日召开的党的扩大的六届六中全会上，张浩被增补为中央委员，他的工作变得更加辛劳，身体日渐衰弱。1940年4月30日，张浩在庆祝“五一”国际劳动节大会上发表讲演时，突发脑溢血晕倒在讲台上，从此卧病在床。但他仍然十分关心党的事业，在病中坚持研究抗战形势，并将自己的观点写信告诉毛泽东。毛泽东每次回信都要附上一句“好生保养为盼”。期间，毛泽东还多次看望了张浩，嘱他安心养病。1941年8月4日，日本飞机又一次轰炸延安。一颗炸弹落在张浩窑洞附近，巨大的声响，震塌了窑洞的侧墙，也重重地震伤了张浩本来就肿大的心脏。他的病情急剧恶化，全身肿得连衣服都穿不上。在毛泽东的指示下，有关方面准备送张浩去苏联治病，但当苏联派来的飞机飞抵延安时，张浩却谢绝了，执意让革命烈士和革命干部的子女乘机到莫斯科学习。1942年3月5日，张浩不幸病逝。在弥留之际，张浩对守候在身边的亲人说：“我奋斗20余年，未能看见革命胜利为憾。请死后葬在文化沟的桃花岭上，我要天天望着党中央、毛主席。”
中央满足了张浩的遗愿。3月9日，毛泽东、朱德、任弼时、陈云等中央领导不顾山路陡峭，亲自抬棺，一直送上桃花岭山顶入葬。一个伟大而忠贞的灵魂从此安息在延安的黄土坡上，同时也将一段伟大而诚挚的友谊传颂在华夏大地。