1931年九一八事變后，趙一曼被中國共產黨派到東北地區領導革命斗爭。1934年擔任中共珠河中心縣委委員兼鐵道北區委書記，組織抗日自衛隊，與日軍展開游擊戰爭。1935年擔任東北人民革命軍第3軍第1師第2團政委，11月，與日偽軍作戰時不幸因腿部受傷被捕。日軍為了從趙一曼口中獲取到有價值的情報，找了一名軍醫對其腿傷進行了簡單治療后，連夜對其進行了嚴酷的審訊。

　　應對兇惡的日軍，將生死置之度外的趙一曼忍著傷痛怒斥日軍侵略中國以來的各種的罪行。兇殘的日軍見趙一曼不肯屈服，使用馬鞭很戳其腿部傷口。身負重傷的趙一曼表現出了一個共產黨員堅強的意志和誓死抗日的決心，痛的幾次昏了過去，仍堅定地說：“我的目的，我的主義，我的信念，就是反滿抗日。”沒說出一字有關抗聯的狀況。

　　1935年12月13日，因趙一曼腿部傷勢嚴重，性命垂危，日軍為得到重要口供，將她送到哈爾濱市立醫院進行監視治療。趙一曼在住院期間，利用各種機會向看守她的警察董憲勛與女護士韓勇義進行反日愛國主義思想教育，兩人深受感動，決定幫忙趙一曼逃離日軍魔掌。1936年6月28日，董憲勛與韓勇義將趙一曼背出醫院送上了事先雇來的小汽車，經過輾轉后，趙一曼到了阿城縣境內的金家窩棚董憲勛的叔叔家中。6月30日，趙一曼在準備奔往抗日游擊區的途中不幸被追捕的日軍趕上，再次落入日軍的魔掌。趙一曼被帶回哈爾濱后，兇殘的日本軍警對她進行了老虎凳、辣椒水等更加嚴酷的刑訊，但她始終堅貞不屈。日軍知道從趙一曼的口中得不到有用的情報，決定把她送回的珠河縣處死“示眾”。8月2日，趙一曼被押上去珠河縣(現尚志市)的火車，她知道日軍要將她槍斃了，此時，她想起了遠在四川的兒子，她向押送的警察要了紙筆，給兒子寫了一封催人淚下的遺書：“母親對于你沒有能盡到教育的職責，實在是遺憾的事情。母親正因堅決地做了反滿抗日的斗爭，這天已經到了犧牲的前夕了。期望你，寧兒啊！趕快成人，來安慰你地下的母親！在你長大成人之后，期望不好忘記你的母親是為國而犧牲的！”

　　中國人民會永遠牢記女民族英雄趙一曼可歌可泣的抗日事跡。新中國成立后，朱德為趙一曼題寫了“革命英雄趙一曼烈士永垂不朽”的題詞，哈爾濱市將她戰斗過的1條主街命名為一曼大街。1962年4月9日，郭沫若為趙一曼題寫了一首充滿革命激情的詩篇：

　　蜀中巾幗富英雄，石柱猶存良玉蹤。

　　四海今歌趙一曼，萬民永憶女先鋒。

　　青春換得江山壯，碧血染將天地紅。

　　東北西南齊仰手，珠河億載漾東風。

　　趙一曼烈士的晚輩校友之子楊將軍曾題詩紀念：

　　家母有師姐，宜賓曾入學。

　　尚志無此妹，神州有斯杰。

　　黃埔精神振，黑土碧血喋。

　　臨刑告獨子，芳華意何決。