在5月2日的会上，匡互生被公推为负责人，组成秘密行动小组，准备暴动或暗杀曹汝霖、章宗祥、陆宗舆等卖国贼（俞劲《对火烧赵家楼的一点回忆》）。小组有专人负责“探查卖国贼的住宅，查明行动的门路，进出的路线”，如曹汝霖的住宅，就是从高师附小曹汝霖儿子处探听到的。
1919年5月3日晚，《国民杂志》社在北大法科大礼堂开会，作出了次日大游行的决议。与此同时，北京高等师范学校操场角北端的西花厅里，也正在举行一个秘密会议。
参加会议的都是刚刚成立的北京高师工学会的成员。5月1日，北京各专门学校已经决定在5月7日“国耻纪念日”举行市民大会，这次会议讨论的主题正是为了响应7日的大会，商讨4、5、6三日中联络各校学生的事项。
在讨论游行的方式时，会员中出现了辩论，“有些人只主张一种普通的示威游行，有些则主张非参加暴动不可”（名诚《匡互生先生的德行》），主张暴动最力的，是数理部学生匡互生。会议后，匡互生和几名意气相投的会员又留下来密议，一直到4日的天明。“大众都认为，血钟不响，民众是不能从酣梦中醒来对媚外的政府示威的”，于是决定“作一度流血大牺牲”。
其实，匡互生等人对借游行之机实施暴动早有准备，当巴黎和会消息吃紧以来，匡就和校内外的易克嶷、熊梦飞、罗汉、罗章龙等二三十人时常集会，讨论政治。在5月2日的会上，匡互生被公推为负责人，组成秘密行动小组，准备暴动或暗杀曹汝霖、章宗祥、陆宗舆等卖国贼（俞劲《对火烧赵家楼的一点回忆》）。小组有专人负责“探查卖国贼的住宅，查明行动的门路，进出的路线”，如曹汝霖的住宅，就是从高师附小曹汝霖儿子处探听到的。为了认识曹、章、陆等人，“大家想了一个办法，北京有个廊房头条胡同，是几家照相馆的集中地，当时政府的一些官员为了显耀自己，将各人的照片都陈列出来，我们就到照相馆去对认”（罗章龙《回忆“五四”运动和北京大学马克思学说研究会》）。据说，当时有位同盟会的老会员答允为小组提供一把手枪，但终于没有搞到。
哪知事情有变，各校准备7日开会的消息，被警方知悉，预备于当日禁止。于是北大学生会议决定将行动时间提前到4日下午，并于4日晨将改动通知了北京高师。匡互生等也就改变计划，派人联络各校的激烈分子，准备“伴大队游行至曹、章、陆等的住宅时候，实行大暴动”（匡互生《五四运动纪实》）。由此可见，冲击赵家楼是有所预谋的，并非像有人说的示威学生一时冲动的结果，只不过这一预谋是小团体的秘密活动，“大多数学生是没料到会演出火烧赵家楼曹汝霖住宅和殴伤章宗祥等暴动事件的”（周予同《五四和六三》）。
由于事起仓促，小组成员只带了些火柴、小瓶火油，以便相机利用。
5月4日下午，游行队伍在天安门受阻，回师到赵家楼，发现有约一连的警察在守卫。许多学生向曹宅投掷白旗后渐渐走散。就在这时，“匡互生发现曹宅有个窗户，他就利用从小练就的一身功夫，在同学们的帮托下，一拳打开了窗子，跃身而下”，一名警察冲过来将他抱住，被匡“踣击于地”，然后匡互生“奋力拔开大门杠，大门一开，外边同学就在警察的刺刀下像潮水一样涌了进来”（张石樵《怀念五四壮士匡互生》）。
至于谁最先点了赵家楼第一把火，很多回忆（如熊梦飞的）都说是匡互生。有的还绘声绘色地记述匡放火时段锡朋阻止，说：“我负不了责任！”匡互生毅然回答：“谁要你负责任！你也确实负不了责任。”但据张石樵说，他亲眼看见，放火者是北京高师同学俞劲。
是日军警捕去32名学生，匡互生不在其中。他本来准备去自首，“决以一身任其罪，毋使大众牺牲”（熊梦飞《五四壮举》）——他受无政府主义思潮的影响是很深的，后经同学劝阻而罢。
5月23日后，政府态度渐趋强硬，严令禁止集会讲演，步兵统领王怀庆还故意将十余名盗匪绑赴刑场，绕道经过各校门口，以此示威。这种形势下，一般群众多有退缩之意，匡互生对此很担忧，对同学说：“如此下去，以壮烈始，而以畏怯终，于国事无益，宜冲破网罗，继续运动，与军警决斗，获最后之成功！不成，则以死继之。”（张石樵《怀念五四壮士匡互生》）于是联络各校同学，共同促成了“六三”游行的爆发。
6月以后，匡互生离京南下，任教于湖南第一高等师范，但仍关注北京的学生运动。他对运动后期的发展有些失望：“七月后纯洁之民群运动，渐为投机者借以出风头，失却大众信仰，而政府亦颇知应付之方，旧调不可复弹矣！”
