在此期间，她结识了经常向父亲请教救国救民大道理的毛泽东，自此开启了一段特殊的缘分。（毛泽东是杨昌济最得意的学生。那篇享誉全国的文章《心之力》，就是在杨的启发下写出来的。）
1918年，杨昌济应聘为北京大学教授，举家北迁，同年秋，毛泽东为组织新民学会会员赴法勤工俭学来到北京，在杨家小住，两人接触增多，感情逐渐升温。
1919年，毛泽东率驱张代表团第二次到北京，再次住在杨家，两人的感情愈发深厚，杨开慧也在这段时间汲取了许多新思想新道德。
1920年初，杨昌济不幸病逝，杨开慧随母亲、哥哥回到湖南。回到长沙后，她在父亲生前好友的帮助下进入福湘女中读书，在校期间积极参与学生运动，因不做礼拜、破坏校规等原因被开除。
1920年8月，毛泽东成立文化书社，杨开慧不仅动员母亲拿出奠仪金支持，还亲自参加书社工作。同年9月，她勇敢地进入岳云男子中学，成为全省男子中学中第一批女学生，推动了“男女同校”的教育改革（第3个第一）。
这年年末，杨开慧加入中国社会主义青年团，成为湖南第一批团员，并与毛泽东结婚，开启了两人携手的革命生涯。
1921年夏，毛泽东赴上海参加中共一大，1922年初，杨开慧加入中国共产党，成为共产党第二个女党员。此后，她成为毛泽东的得力助手，协助毛泽东做了大量工作。
“八七”会议（1927年8月7日）后，毛泽东潜回湖南准备秋收起义，与杨开慧话别后，两人就此竟成永诀。
此后，杨开慧独自带着孩子展开革命工作。
1930年，红军两次攻打长沙，湖南军阀何键将对红军的仇恨发泄到杨开慧身上，悬赏1000银元捉拿她。
1930年10月，杨开慧潜回板仓看望母亲和孩子时，被军阀密探发现并逮捕。
在狱中，她遭受皮鞭抽、木棍打等酷刑，却始终坚贞不屈、守口如瓶，面对敌人的威逼利诱，坚决拒绝退党和与毛泽东脱离关系。
她表示：“我宁愿一死，也不愿背叛我的理想、我的