1931年九一八事变后，赵一曼被中国共产党派到东北地区领导革命斗争。1934年担任中共珠河中心县委委员兼铁道北区委书记，组织抗日自卫队，与日军展开游击战争。1935年担任东北人民革命军第3军第1师第2团政委，11月，与日伪军作战时不幸因腿部受伤被捕。日军为了从赵一曼口中获取到有价值的情报，找了一名军医对其腿伤进行了简单治疗后，连夜对其进行了严酷的审讯。
面对凶恶的日军，将生死置之度外的赵一曼忍着伤痛怒斥日军侵略中国以来的各种的罪行。凶残的日军见赵一曼不肯屈服，使用马鞭很戳其腿部伤口。身负重伤的赵一曼表现出了一个共产党员坚强的意志和誓死抗日的决心，痛的几次昏了过去，仍坚定地说：“我的目的，我的主义，我的信念，就是反满抗日。”没说出一字有关抗联的情况。
1935年12月13日，因赵一曼腿部伤势严重，生命垂危，日军为得到重要口供，将她送到哈尔滨市立医院进行监视治疗。赵一曼在住院期间，利用各种机会向看守她的警察董宪勋与女护士韩勇义进行反日爱国主义思想教育，两人深受感动，决定帮助赵一曼逃离日军魔掌。1936年6月28日，董宪勋与韩勇义将赵一曼背出医院送上了事先雇来的小汽车，经过辗转后，赵一曼到了阿城县境内的金家窝棚董宪勋的叔叔家中。6月30日，赵一曼在准备奔往抗日游击区的途中不幸被追捕的日军赶上，再次落入日军的魔掌。赵一曼被带回哈尔滨后，凶残的日本军警对她进行了老虎凳、辣椒水等更加严酷的刑讯，但她始终坚贞不屈。日军知道从赵一曼的口中得不到有用的情报，决定把她送回的珠河县处死“示众”。8月2日，赵一曼被押上去珠河县(现尚志市)的火车，她知道日军要将她枪毙了，此时，她想起了远在四川的儿子，她向押送的警察要了纸笔，给儿子写了一封催人泪下的遗书：“母亲对于你没有能尽到教育的责任，实在是遗憾的事情。母亲因为坚决地做了反满抗日的斗争，今天已经到了牺牲的前夕了。希望你，宁儿啊!赶快成人，来安慰你地下的母亲!在你长大成人之后，希望不要忘记你的母亲是为国而牺牲的!”
中国人民会永远牢记女民族英雄赵一曼可歌可泣的抗日事迹。新中国成立后，朱德为赵一曼题写了“革命英雄赵一曼烈士永垂不朽”的题词，哈尔滨市将她战斗过的一条主街命名为一曼大街。1962年4月9日，郭沫若为赵一曼题写了一首充满革命激情的诗篇：
蜀中巾帼富英雄，石柱犹存良玉踪。
四海今歌赵一曼，万民永忆女先锋。
青春换得江山壮，碧血染将天地红。
东北西南齐仰手，珠河亿载漾东风。
赵一曼烈士的晚辈校友之子杨将军曾题诗纪念：
家母有师姐，宜宾曾入学。
尚志无此妹，神州有斯杰。
黄埔精神振，黑土碧血喋。
临刑告独子，芳华意何决。
