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巴黎和会上中国外交的失败，使得对和会抱有极大希望的中国知识界大为震惊，失望的情绪立即转为愤怒的火焰。一场政治风暴在孕育之中。
5月2日，北大校长蔡元培在学生饭厅召集学生班长和代表100余人开会。他讲述了巴黎和会上帝国主义互相勾结、牺牲中国主权的情况，指出这是国家存亡的关键时刻，号召大家奋起救国。何思源： 《五四运动回忆》，《文史资料选编》第4辑。
5月3日，当蔡元培得知国务院已发出密电，令代表团签字后，立即告诉了国民杂志社的负责人许德珩和新潮杂志社罗家伦、傅斯年、康白情、段锡朋等人。许德珩当即约集国民杂志社的各校代表，在北大西斋集会商讨对策。蔡元培与会并发表讲话说： “巴黎和会的情势，对我国极为不利。列强对日本要在山东夺取我许多权益之无理要求，有认可之意，而我政府将被迫在和约上签字。倘不幸而如此，国家前途不堪设想。”萧超然著： 《北京大学与五四运动》，北京大学出版社1995年版，第173页。会议当即决定5月3日晚在北大三院礼堂召开全体学生大会。
北京学生得知中国外交失败，政府准备妥协后，久压心头的不满和愤慨之情一下子迸发了出来。
5月3日晚，除北大全体学生到会外，北京高等师范、高等工业专门学校、法政专门学校、中国大学、朝阳法理学校、农业专门学校、医药专门学校、汇文学校、民国大学、铁路管理学校、税务专门学校、高等警官学校等12所中等以上学校的学生代表也参加了大会。会议先由《京报》社长、北大新闻学讲师邵飘萍报告巴黎和会讨论山东问题的经过和当前的形势。然后，学生们争相上台讲演。张国焘也以他特有的萍乡口音作了慷慨激昂的演说。北大法科学生谢绍敏当场咬破中指，撕下衣襟，血书“还我青岛”四个大字。
会议一直开到晚11时，最后通过四项决议： （1）联合各界一致奋起力争；（2）原定5月7日的国耻游行1915年5月7日，日本政府向袁世凯发出最后通牒，限48小时答复“二十一条”。故5月7日为国耻日。，提前于次日（5月4日）举行。各校齐集天安门举行爱国大示威；（3）通电巴黎专使，不准签字；（4）通电各省5月7日一律举行爱国示威游行。
5月4日下午，北京十几所中等以上学校学生3000多人，挥舞白色小旗，高举标语牌，上写“还我青岛”、“宁为玉碎，勿为瓦全”、“外争主权，内除国贼”、“废除二十一条”等字样，在天安门前汇集。学生们不顾军警和教育部官员的阻挠，纷纷发表演说，痛斥帝国主义的侵华罪行和亲日派官僚曹汝霖、章宗祥、陆宗舆的卖国行径。
会后，开始进行示威游行。游行队伍沿途散发传单，高呼口号，吸引了很多市民观看。队伍到达赵家楼胡同曹汝霖的住宅后，痛打了正在曹宅的章宗祥，并放火烧了曹宅。
在这次集会和示威游行中，北大学生起了主力军作用，张国焘则与邓中夏、黄日葵、高君宇等人起了核心领导作用。萧超然： 《北京大学与五四运动》，北京大学出版社1995年版，第176页。
具有划时代意义的五四运动从此拉开了帷幕。
像所有的爱国青年一样，张国焘以极大的热情投入到这场运动之中。
学生们激烈行动碰到的第一个打击，就是32名学生被捕。这是由警察总监吴炳湘、步军统领李长泰带领大队军警赶到曹宅镇压学生运动时发生的。被捕学生在警厅受到公开的侮辱和残酷迫害，但仍然斗志旺盛。这可从被捕学生之一许德珩的狱中诗里反映出来：
为雪心头恨，而今作楚囚。
被拘三十二，无一怕杀头。
痛殴卖国贼，火烧赵家楼。
锄奸不惜死，来把中国救。
山东我国土，寸草何能让。
工农兵学商，人民四万万。
为何寡欺众？散沙无力量。
团结今日始，一往无前干。许德珩： 《五四运动六十周年》，《文史资料选辑》第61辑。
学生们的爱国热忱没有因遭到打击而低落，反而更加高昂。
5月4日晚，北大三院礼堂挤满了学生。对被捕学生的同情和对卖国政府的痛恨，使这群热血青年决意采取进一步行动，联络各校举行同盟罢课。这次会议一个最显著的成果就是“北京大学学生干事会”的诞生，张国焘也在干事之列。这使他有更多的机会出现于学生运动的前列，也使他成为不可否认的学生运动领袖之一。
5月5日，在北大学生干事会号召下，北京各高等学校开始举行同盟罢课。学生们在罢课声明中说： “各校学生既痛外交之失败，复愤同学之被拘，更有何心研究学问？此罢课之第一理由也；青岛问题当以死力争，被捕同学亟待营救，全体奔走，日无暇晷，学虽至宝，势难兼顾，此罢课之理由二也。”蔡晓舟、杨景工： 《五四》，《近代史资料》第2期。
下午3时，北京14所高校3000多名师生在北大法科礼堂召开大会，讨论决定下一步斗争计划如下： （一）立即开展营救被捕同学活动，各校一律罢课，至被捕同学回校为止；（二）敦促各高等学校校长与政府交涉，营救保释被捕同学；（三）联合上书政府，要求惩办曹、章、陆；（四）打电报给巴黎的我国专使，对青岛问题要死力抗争，决勿签字；（五）通电全国教育会、商会，一致行动。
北京学生的爱国通电，得到各地、各阶层人士的积极响应。人们的爱国热情被激发了起来，一时间各种类型的电报飞向京城，飞向巴黎，不仅一般团体和公民，而且国会议员、社会名流都纷纷通电要求释放学生，谴责军阀政府。
为了进一步把爱国运动引向深入，5月6日，在北京大学倡议下，“北京中等以上学校学生联合会”简称“学联”。是为我国有“学联”这一名称之始。成立，北京大学学生中的先进分子是这个组织的主要骨干，其中有： 邓中夏、黄日葵、许德珩、段锡朋、易克嶷、张国焘、康白情、陈宝锷等。据张国焘回忆，他是学联讲演部部长。
对于手无寸铁的学生来说，最能表达自己爱国情怀和最能唤起民众的方法，莫过于在街头讲演。
5月12日，当军阀政府正在为学生运动引起的全国呼应而束手无策的时候，由学联组织的大大小小的讲演团忽然遍布京城的大街小巷，使京师警察厅立即感到手足无措。学生们手执各色旗帜，演说情真意切、慷慨激昂，吸引了不少听众。他们的讲演均围绕山东问题展开，号召民众急起救国，反对卖国的军阀政府，反对横暴的日本帝国主义。
据《北京大学日刊》载： 邓中夏讲演的题目是“青岛交涉失败史”；周炳琳讲“山东与全国之关系”；廖书仓讲“青岛关系我国之将来”；张国焘讲“自卫”；易克嶷讲“抵抗强权”；李秀龙讲“真正民气”；罗运磷讲“争回青岛”；潘宗翰讲“五月四日”；黄耀华讲“亡国之痛苦及救国之方法”，等等。张国焘作为学联主要骨干之一，在整个讲演活动中积极负责，以身作则，起到了带头作用。
学生们的讲演活动使反动政府大为恼火。5月15日，军阀政府下达警备令，禁止学生聚众讲演。巡警在得到命令后，开始对讲演活动横加干涉。学生们每到一处，总有巡警随行，只要一开口讲话，立即被制止，甚至押到警备区盘问。但学生们仍然坚持讲演，并散发各种传单。
5月18日，当得知政府仍未表示拒绝签字时，学联便组织了北京市中等以上18所学校的学生集会，决定于19日举行全体北京学生总罢课。19日，学联通电发布《罢课宣言》，揭露政府的种种倒行逆施，号召学生一律罢课，坚决斗争到底。从此，学生运动更加广泛深入地开展起来，不仅讲演团更为活跃，而且“国货维持会”、“十人团”等爱国团体也应运而生。
学生运动深入发展，越来越引起了广大市民的同情，也使军阀政府越来越感到恐惧，它想尽快扼杀学生运动，恢复京城往日的秩序。但这完全是徒劳！学生运动在政府的压迫下不仅没有停歇，反而愈加风起云涌。军阀政府只得拿出它最恶毒的一招，这就是逮捕。凡是上街讲演的学生，只要被军警发现，即被殴打和捉拿起来，失去行动自由。被捉的学生多了，监狱容纳不下，便将北大三院辟为临时监狱。
在这一场爱国与迫害的抗争中，张国焘和讲演团的团员们进行了不屈的斗争。
6月2日，他们以卖国货为名，又走上街头进行讲演。结果张国焘与其他六名北京大学的学生遭到警察的逮捕。内左一区警察署署长的一份报告中这样记述了张国焘等人被捕的经过：
本日下午二时余，又据东安市场巡官白祖荫电称，有北京大学学生刘仁静、陈用才等二名，在市场南门内售卖国货，并有该校学生牟谟用大洋一元购买，故意因钱惹人注目。经巡官、巡长等婉言劝说，而该学生等大声疾呼，谓警察阻制人民买卖自由，并齐声喧嚣。现在办公室内等情。当经电饬婉劝，令其到署。经职在外接待室内接见座谈，告以卖物之理由并警察劝阻之用意，劝至三小时之久。其时并该校执事人林冠英自行到署，帮同劝说。该学生等坚称警察为不法之干涉，既被巡警送来，即不能走等语。该管理员无法，�