1941年5月，他和旅長羅忠毅率16旅46團、47團回師茅山地區(qū)，經(jīng)浴血奮戰(zhàn)，終于恢復和鞏固了茅山抗日根據(jù)地。10月，他和旅長羅忠毅率旅部及中共蘇皖區(qū)委機關駐江蘇省溧陽縣塘馬村一帶。

1941年11月27日深夜，日軍集中步、騎、炮聯(lián)合兵種共3000余人，對16旅駐地江蘇溧陽塘馬村發(fā)動突然襲擊。廖海濤組織旅部及中共蘇皖區(qū)黨委機關轉移，率部對敵阻擊，掩護機關人員突圍，打退日軍多次瘋狂進攻。戰(zhàn)斗從28日凌晨一直堅持到中午，斃傷日、偽軍300多名。廖海濤身陷重圍，腹部中彈，仍然手捂?zhèn)诶^續(xù)指揮戰(zhàn)斗，最終因傷勢過重壯烈犧牲，年僅32歲。

廖海濤烈士的故鄉(xiāng)上杭縣是中央蘇區(qū)的重要組成部分。近年來，上杭縣高度重視保護紅色文化，將紅色旅游與歷史文化遺產(chǎn)利用保護、革命老區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展、現(xiàn)代旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展結合起來，實施了古田會議舊址群維修保護、毛澤東才溪鄉(xiāng)調(diào)查舊址維修和紀念館擴建、將軍和名人故居維修保護等工程，產(chǎn)生了良好的政治、社會影響。