فعالیت‌های سیاسی
مرتضی مطهری در فعالیت‌های سیاسی در کنار روح‌الله خمینی بود، به‌طوری‌که می‌توان سازماندهی قیام ۱۵ خرداد ۱۳۴۲ در تهران و هماهنگی آن با روح‌الله خمینی را مرهون تلاش‌های او و یارانش دانست. وی در ساعت ۱ بعد از نیمه شب روز چهارشنبه ۱۵ خرداد ۱۳۴۲ به دنبال یک سخنرانی مهیج علیه محمدرضا شاه پهلوی به وسیله پلیس دستگیر و پس از انتقال به زندان موقت شهربانی به همراه تعدادی از روحانیون تهران زندانی شد. پس از ۴۳ روز به دنبال مهاجرت علمای شهرستان‌ها به تهران و فشار مردم، به همراه سایر روحانیون از زندان آزاد شد.
پس از تشکیل هیئت‌های مؤتلفه اسلامی، مطهری از سوی روح الله خمینی به همراه چند تن دیگر از شخصیت‌های روحانی عهده‌دار رهبری این هیئت‌ها گشت. پس از ترور حسنعلی منصور نخست‌وزیر وقت توسط محمد بخارایی، کادر رهبری هیئت‌های موتلفه شناسایی و دستگیر شد.
فعالیت‌های علمی – فرهنگی
پس از ترور حسنعلی منصور، مطهری به تألیف کتاب در موضوعاتی که وی مورد نیاز جامعه می‌پنداشت و ایراد سخنرانی در دانشگاه‌ها، انجمن‌های اسلامی، نهضت اسلامی پزشکان، مسجد هدایت و مسجد جامع نارمک ادامه داد. او به یک نهضت اسلامی معتقد بود و برای اسلامی کردن محتوای نهضت تلاش‌های ایدئولوژیک بسیاری نمود. از جمله مهم‌ترین این اقدامات می‌توان به کمک به تأسیس حسینیه ارشاد در سال ۱۳۴۶ اشاره کرد. پس از مدتی به علت اختلاف نظر با برخی از اعضای هیئت مدیره، در سال ۱۳۴۹ از عضویت هیئت مدیره آن مؤسسه استعفاء داد و آن را ترک گفت.
تبلیغ برای آوارگان فلسطینی
در سال ۱۳۴۸ به خاطر صدور اعلامیه‌ای با امضای وی و علامه طباطبایی و سید ابوالفضل موسوی زنجانی مبنی بر جمع اعانه برای کمک به آوارگان فلسطینی و اعلام آن طی یک سخنرانی ضداسرائیلی در حسینیه ارشاد دستگیر شد و مدت کوتاهی در زندان تک‌سلولی به سربرد. از سال ۱۳۴۹ تا ۱۳۵۱ برنامه‌های تبلیغی مسجد الجواد را زیر نظر داشت و غالباً خود سخنران اصلی بود، تا اینکه آن مسجد و به‌دنبال آن حسینیه ارشاد تعطیل گردید و بار دیگر مطهری دستگیر و مدتی در بازداشت قرار گرفت. پس از آن مطهری سخنرانی‌های خود را در مسجد جاوید و مسجد ارک و غیره ایراد می‌کرد. بعد از مدتی مسجد جاوید نیز تعطیل گردید. در حدود سال ۱۳۵۳ ممنوع‌المنبر گردید و این ممنوعیت تا پیروزی انقلاب ۱۳۵۷ ادامه داشت.
مبارزه با التقاط
از مهم‌ترین فعالیت‌های او ارائه ایدئولوژی اسلامی از طریق تدریس و سخنرانی و تألیف کتاب متعدد است. به باور مطهری، اهمیت این‌گونه فعالیت فرهنگی به ویژه در سال‌های ۱۳۵۱ تا ۱۳۵۷ به خاطر افزایش تبلیغات گروه‌های چپ و پدید آمدن گروه‌های مسلمان چپگرا -که مطهری آن را پدیده «التقاط» می‌نامید- به اوج خود رسید. گذشته از خمینی، مطهری نیز دیگران را از همکاری با سازمان «مجاهدین خلق ایران» بازمی‌داشت. در این سال‌ها مطهری به توصیه روح‌الله خمینی هفته‌ای دو روز برای تدریس به قم می‌رفت و هم‌زمان در تهران نیز به تدریس در منزل ادامه می‌داد. در سال ۱۳۵۵ به دنبال اختلاف با یکی از استادان دانشکده الهیات زودتر از موعد مقرر بازنشسته شد. همچنین در طول این سال‌ها، مطهری با همکاری تنی چند از شخصیت‌های روحانی، «جامعه روحانیت مبارز تهران» را بنیان گذارد بدان امید که روحانیت شهرستان‌ها نیز به تدریج چنین سازمانی پیدا کند.
مخالفت با دین‌ناباوران
دربارهٔ اختلاف مرتضی مطهری با امیرحسین آریان‌پور -که یکی از دین‌ناباوران بود-، نوشته شده‌است که به آریان‌پور، به خاطر اعتقادات مارکسیستی‌اش حمله می‌کرد، و معتقد بود کسی که دیدگاه‌های مارکسیستی را ارائه می‌دهد، نباید در دانشکده الهیات، تدریس کند.
ارتباط با سید روح‌الله خمینی و انقلاب
گرچه ارتباط مرتضی مطهری با سید روح‌الله خمینی پس از تبعید او از ایران به وسیله نامه و غیره استمرار داشت، ولی در سال ۱۳۵۵ موفق گردید مسافرتی به نجف نموده و ضمن دیدار با خمینی دربارهٔ مسائل مهم نهضت و حوزه‌های علمیه با وی مشورت نماید. پس از مرگ مصطفی خمینی و آغاز دوره جدید نهضت اسلامی، مطهری به‌طور تمام‌وقت درخدمت نهضت قرار گرفت. وی در دوران اقامت روح‌الله خمینی در پاریس نیز سفری به آن شهر نمود. در همین سفر خمینی او را مسؤول تشکیل شورای انقلاب کرد. هنگام بازگشت روح‌الله خمینی به ایران، مطهری مسؤولیت کمیته استقبال از امام را شخصاً به عهده گرفت. خمینی پس از مرگ وی، در پیام جداگانه‌ای خطاب به جوانان و روشنفکران، آنان را توصیه به استفاده از کتب مرتضی مطهری کرد.