1929年初，到县农民协会与孙启明、王其人等一起工作。是年秋，怀着探求革命真理的热切愿望毅然离开县农民协会，考入济南省立高中，随后结识在该校任教的左翼作家胡也频，并在其指导下阅读《唯物史观》《唯物辩证法》《***产党宣言》等经典著作。
1930年夏，胡也频去上海。不久，刘仲莹到上海投奔胡也频，在复旦大学当旁听生。年底，经胡也频介绍加入中国***产党，受命到闸北做地下工作。
1931年回莱芜，先在口镇、鹁鸽楼，后到县农民协会、县师范讲习所等地，发展党员5名，建立中***莱芜特别支部并任书记。
1932年，在全县发展党员近百名，下半年成立中***莱芜县委，刘仲莹被选为书记。此后，他与县委其他成员一起，更加广泛地开展建党工作，迅速在一、二、三、十区近20个村庄发展党员，建立起4个分区委及县农民协会特别支部、县师范讲习所***产主义青年团。
1933年，在中***山东省委遭到破坏，莱芜党组织与上级失掉联系后，领导党组织坚持斗争。
1934年4月，变卖田产充作活动经费，到上海等地寻找上级党组织。8月在济南省立图书馆被捕，随后由我党同情者尚立斋保释，刘及时向县委汇报了被捕情况，莱芜党组织未遭损失，其仍主持县委工作。1935年10月，领导反对刘伯戈、周茂森叛变的斗争，机智地安排县委其他委员转移到外地，自己留下来坚持工作。为躲避敌人搜捕，曾露宿云台山狼毛子洞，数日以野菜充饥，仍就地坚持斗争。是年冬，与赵健民、鹿省三、黄仲华等人组成中***山东省工作委员会，被推选为书记。
1936年4月，中***北方局委派黎玉任山东省委书记，刘仲莹担任省委巡视员，具体领导鲁西北地区的党建工作，先后建立了冠县县委、冠县中心县委和莘县、 堂邑、南馆陶等特区区委。
1936年秋，以党的专职巡视员身份，化名范明生、李济安赴鲁西北工作，建立中***冠县县委。1937年夏，中***鲁西北特委成立，刘仲莹任书记。抗日战争爆发后，他跑遍鲁西北各县，联络党员，建立组织，宣传抗日民族统一战线组织抗日武装，终因积劳成疾身患肝病。后病情日渐恶化，党组织把他送回老家休息治疗。他听到平型关大捷消息，即在家乡张贴标语进行宣传，并在同学的漫画上写：“中华不可侮，金瓯缺定补”。他于11月初返回鲁西北。不久，病情急剧恶化，党组织把他送往齐鲁医院，终因治疗无效，于1938年3月28日病逝。