1918年夏，杨昌济应蔡元培之邀，任北京大学伦理学教授，杨开慧随父入京。杨家住在北京鼓楼大街豆腐池胡同9号。不久，毛泽东因赴法勤工俭学，也来到北京。杨昌济推荐毛泽东到李大钊主持的北京大学图书馆工作。毛泽东经常到杨家看望都是有时也在杨家吃住，与杨开慧有较多的接触，他常把进步书刊和自己写的文章、笔记送给杨开慧阅读。年方17岁的少女杨开慧对才华出众的毛泽东爱慕之心日深，毛泽东也多次向秀美、聪明、娴雅的师妹表示爱意。后来毛泽东赴上海时，两人彼此心照不宣，相约分别后互通信息。二人书信不断，互诉衷肠。杨开慧给毛泽东的信，开头只称呼一个“润”字，毛泽东给杨开慧的信，开头也只有一个“霞”字。
1920年初，杨昌济去世后，杨开慧扶柩南下，将父亲归葬长沙板仓。不久便从板仓来到长沙城，在李淑一父亲的帮助下，进了福湘女中。
1920年7月，毛泽东领导驱张运动从北京返回湖南后，身穿薄薄的旧长衫，迈着快的步伐到福湘女校，在选修班的教室旁边，找到了杨开慧。回湘后的重逢使两人格外高兴。毛泽东邀请杨开慧去省学联帮他工作，杨开慧一口答应。这年秋天，两人相约寒假在板仓杨家结婚，他们没有做嫁妆，不坐花轿，“不做俗人之举”。
曾在毛家当伙夫的邹香庭老人后来回忆了毛泽东与杨开慧举行简朴婚礼的情形：1920年冬的一天，毛泽东忽然对邹香庭说：“你准备点酒菜，今晚我要请客了。”邹香庭心里有点奇怪，因为那时毛泽东的经济很不宽裕，工作又很紧张，请客吃饭的事是很少的。但他不便多问。
晚上，毛泽东带来了一些客人，都是他平日最要好的朋友和战友。大家吃饭喝酒，兴高采烈，谈今论古。杨开慧也殷勤招待客人，敬酒，送菜。
夜色已深，毛泽东才宣布：“今晚是我和杨开慧结婚的日子。蒙大家来热烈祝贺，我们十分感激……”客人们大感意外，纷纷说：“为什么不早点告知我们，也好带点纪念品来，以表示祝贺？”毛泽东笑说：“就是怕大家带礼品来，所以事先才保守秘密啊！”大家跟着毛泽东一同笑起来，并以一阵热烈的掌声表示对新郎、新娘的祝福。
1921年秋，在中共湘区委员会成立后不久杨开慧加入了中国共产党。为了掩护毛泽东的活动，她接来母亲，一起住在中共湘区委员会机关所在地——清水塘，自己则担任湘区党委的机要和交通联络工作。
1922年10月24日，杨开慧生下了她和毛泽东的第一个儿子，取名毛岸英。
1923年4月，毛泽东离开长沙赴上海到中共中央工作。6月又由上海到广州出席中共第三次代表大会，这是毛杨婚后第一次分别，两情依依。毛泽东走后，杨开慧一人独撑家务，上有老母，下有小孩，生活清苦，负担沉重，真是度日如年，早晚翘首盼望夫君归来。中共“三大”后，毛泽东留中央工作。同年9月，毛泽东因事回到长沙，11月毛岸青出生，毛泽东此时在自己身边，杨开慧心中如沐春风，无限温暖。
12月底，毛泽东又要离开娇妻爱子远行，赴广州参加国民党第一次代表大会。杨开慧全力支持丈夫从事革命斗争，任劳任怨，从不怕艰难困苦，只是在离别之际，难割断爱情。她眼含热泪，紧紧握着丈夫的手，一再叮咛：只身远行，要多珍重。毛泽东凝视爱妻，更有一番离愁别绪在心头。他展纸挥毫，写下了那首著名的《贺新郎》词：
挥手从兹去。更那堪凄然相向，苦情重诉。眼角眉梢都似恨，热泪欲零还住。知误会前番书语。过眼滔滔云共雾，算人间知己吾和汝。人有病，天知否？今朝霜重东门路，照横塘半天残月，凄清如许。汽笛一声肠已断，从此天涯孤旅。凭割断愁思恨缕。要似昆仑崩绝壁，又恰像台风扫寰宇。重比翼，和云翥。
1924年2月，毛泽东由广州赴国民党上海执行部工作。6月，杨开慧和母亲携带毛岸英、毛岸青来到上海，毛泽东亲自到码头迎接，结束了半年多梦萦魂绕的两地生活。杨开慧协助毛泽东从事文书誊写和收发工作。1924年底，毛泽东因病请假回老家韶山，一边养病，一边开展农民运动。杨开慧也跟随毛泽东第一次来到韶山。
韶山农民运动的蓬勃开展，引起反动派的极大恐慌，湖南军阀赵恒惕再次下令通缉毛泽东。
在人民群众的掩扩下，毛泽东、杨开慧先后离开韶山，南下广州。
毛泽东在广州担任国民党中央宣传部代理部长，杨开慧继续协助毛泽东工作，负责通讯联络，经常来往于毛泽东与周恩来、邓中夏、恽代英、林伯渠、李富春等人之间，传递文件、书信和消息。
北伐战争开始不久杨开慧同母亲一起带着孩子回到长沙，住在望麓园。1926年12月，党派毛泽东回长沙指导工作，夫妻再度团聚。1927年2月，毛泽东、杨开慧一家先后到达武昌，住在都府堤41号。当时，杨开慧已近产期，又要照料身边的两个孩子，但为了使毛泽东集中精力运筹革命大计，她几乎天天伏案工作到深夜，整理毛泽东在衡山等县农民运动带回来的调查材料。毛泽东多次夸奖道：“我这个好秘书，抄写起来，又快又好。”正是在杨开慧的协助下，毛泽东很快写出了《湖南农民运动考察报告》一文，在党内外产生了巨大反响。在武昌，杨开慧生下第三个儿子毛岸龙。
大革命失败后，毛泽东夫妇由武昌回到长沙，住在北门外沈家大屋旁的北角门楼。9月初，毛泽东赴湘赣边界领导秋收起义，杨开慧带着孩子回到长沙县板仓老家。不料，这次夫妻竟成永诀。
当时的湖南，一片白色恐怖，许多革命者及其家属惨遭国民党反动派杀害，杨开慧面对死亡的威胁，毫不畏惧，继续坚持地下斗争，深入群众中调查访问，宣传革命道理。她时刻准备为共产主义事业献身，把为革命牺牲当作自己“喜欢的事”。毛泽东率领秋收起义部队上井冈山不久，即用暗语给杨开慧写信，说他出门后，开始生意不好，亏了本。现在生意好了，兴旺起来了。这封信几经辗转，直到1928年春，才送到杨开慧手里。她找来地图，查寻井冈山的位置，远眺东南，心中不断呼唤着亲人的名字，愿他一切都平安。
长夜漫漫天难明，关山远隔信不通。长久的思念与等待，使杨开慧惆怅不已。1928年10月，她在寒秋孤灯下写了《偶感》诗一首，抒发了对毛泽东的挂念：
天阴起溯［朔］风，浓寒入肌骨。
念兹远行人，平波突起伏。
足疾已否痊？寒衣是否备？孤眠［谁］爱护，是否亦凄苦？书信不可通，欲问无［人语］。
恨无双飞翮，飞去见兹人。
兹人不得见，［惘］怅无已时。
1930年7月27日，红三军团攻占长沙城，十天后被迫退出，但是长沙、平江、济阳一带的地下党组织和赤卫队大部分暴露。国民党湖南省政府主席“清乡”司令部司令何健卷土重来，残酷镇压共产党人和革命群众。仅板仓、清泰、白沙一带就有460多名共产党员和革命群众被杀害。何健悬赏大洋1000元，捉拿“毛泽东的妻子杨氏”。情况越来越紧张，形势越来越险恶。1930年10月中旬，杨开慧被捕入狱。同时被捕的还有保姆陈玉英和毛泽东8岁的儿子毛岸英。
敌人逼杨开慧交代毛泽东和红军的情况，逼她交出毛泽东的书信和共产党的文件。杨开慧斩钉截铁地回答：“不知道！”敌人恼羞成怒，把她打得遍体鳞伤，可她始终坚贞不屈。最后敌人甚至诱骗说，只要她在报上发表声明，与毛泽东脱离关系，就马上可以获得自由。但这也遭到杨开慧的严词拒绝。她对前去探监的亲友说：“死不足惜，但愿润之革命早日成功！”又嘱咐说：“我死后，不要作俗人之举。”1930年11月14日，杨开慧在长沙城浏阳门外的识字岭英勇就义，时年29岁。
杨开慧死后，遗体被亲友连夜运回板仓收殓，葬在青松环绕的棉花坡上。毛泽东从报上得到噩耗后，当即寄信给杨开慧的亲属说：“开慧之死，百身莫赎”。
杨开慧在毛泽东心中一直占有重要位置，他终生难以忘怀，他称之为“杨开慧同志我的亲爱的夫人”，永远记着那些一起度过的美好的时光。