Khoảng tháng 9 năm 1915 cùng bạn đồng chí Thái Phiên mưu việc tiếp xúc với vua Duy Tân để mời vua tham gia cuộc khởi nghĩa do Việt Nam Quang Phục hội đề xướng chống Pháp.
Hai người đưa Phan hữu Khánh vào làm tài xế trong nội, rồi uỷ Khánh đưa một bức thư đề cập đến thảm cảnh của toàn dân và ý định phục quốc.
Vua rất cảm động, hẹn ngày 12 tháng 3 Âm lịch ( 1916 ), sẽ hội kiến trên Ngự hà, vua sẽ ngồi câu còn Trần cao Vân và Thái Phiên giả làm người đi câu.
Sau đó ít lâu, trong cuộc họp của Quang Phục hội lần thứ 2 tại Huế, Thái Phiên được bầu làm chủ tịch và Trần cao Vân làm quân sư trong uỷ ban khởi nghĩa.
Cuộc khởi nghĩa ấn định vào giờ ngọ, ngày ngọ và tháng ngọ, tức là ngày mồng 2 tháng 5 năm Bính Thìn ( 8-6-1916 ). Hiệu lệnh được ban bố bằng bài thơ sau đây ( Hiệu lệnh cách mạng mà làm thành thơ, thật rõ là cái phong độ nhà Nho )
Hỏa xa Huế Hàn.
Một mối xa thơ đã biết chưa?
Nam Bắc hai ngả gặp nhau vừa.
Đường rầy đã sẵn thang mây bước.
Ống khói càng cao ngọn gió đưa.
Sấm dậy tứ bề trăm máy chuyển.
Phút thâu muôn dặm nửa giờ trưa.
Trời sai ra dọn xong từ đấy.
Một mối xa thơ đã biết chưa?
Nhưng sau, vì sợ bị tiết lộ phải khởi sự sớm hơn một tháng: tức là đêm mồng 2 tháng 4 năm Bính Thìn ( 3-5-1916 ). Tuy vậy mà từ chiều mồng 1, Pháp được tin báo nên đề phòng rất ngặt.
Trần cao Vân và Thái Phiên không ngờ vực gì cả, cứ làm đúng theo kế hoạch, vừa đưa vua ra khỏi hoàng thành. Chạy đến đàn Nam Giao thì vua và Thái Phiên bị bắt. Trần cao Vân cũng bị bắt sau đó tại làng Hà Trung, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên.
Ngày 17 – 5 – 1916, Trần cao Vân cùng Thái Phiên, Phan hữu Khánh và mấy người lính hầu vua Duy Tân bị đem ra hành hình tại An Hoà, phía tây bắc thành nội Huế.
Tương truyền, trước khi bị giết, Trần cao Vân đã khẩu chiếm bài thơ sau đây:
Đứa nào muốn chết, chết như chơi.
Chết vị non sông, chết vị trời.
Chết thảo, bao nài xương thịt nát.
Chết ngay, há ngại cổ đầu rơi.
Chết trung, tiếng để ngoài muôn dặm.
Chết nghĩa, danh lưu đến vạn đời.
Chết được như vầy là hả lắm.
Ta không sợ chết hỡi ai ơi!