Присъединява се към националноосвободителното движение на българите в Македония и за няколко години става фактически ръководител на Вътрешната македоно-одринска революционна организация, с огромен авторитет сред членовете й. Автор е, заедно с Гьорче Петров, на програмите на ВМРО и основен организатор на четите на организацията.
Паралелно с дейността си във ВМРО учителства в различни краища на Македония.
На Солунския конгрес на ВМРО през зимата на 1903 година се противопоставя на идеята за всеобщо въстание в Македония, тъй като счита, че подготовката не е достатъчна, но в крайна сметка приема решението на по-радикалните членове на Организацията, които надделяват с искането си за мащабен бунт.
Загива в сражение с турската армия на 4 май 1903 година в серското село Баница, днес в Гърция.
Първоначално е погребан в село Баница, но през Балканската война костите му са пренесени в България и се съхраняват в урна в "Илинденската организация" до 1946 година, след което са предадени от българските комунисти на македонските сърбокомунисти и препогребани в каменен саркофаг в двора на църквата "Свети Спас" в центъра на Скопие.
Първоначално тогавашният силен човек в Македония Лазар Колишевски заявява, че Гоце Делчев е почти без значение за освободителните борби, но постепенно пропагандата в югославска Македония му отрежда статут на национален герой и той дори се споменава в химна на независима Македония след 1991 година.
Българската етническа принадлежност и българското самосъзнание на Гоце Делчев никога не са били сериозно поставяни под съмнение и той е считан не само в България, но и от обективните историци за пряк продължител на делото на Васил Левски за национално освобождение на българите.
На името на Гоце Делчев са кръстени град в България и в Македония, две села в България, както и множество улици и други обекти в двете страни.