1935年11月，在與日軍作戰中，趙一曼為掩護部隊腿部負傷后在昏迷中被俘。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，連夜對其進行了審訊。
在獄中，日本人動用酷刑，她沒有吐露任何信息。趙一曼忍著傷痛怒斥日軍侵略中國以來的各種的罪行。日軍見趙一曼不肯屈服，使用馬鞭狠戳其腿部傷口。身負重傷的趙一曼表現出了一個中國人保衛民族的決心，痛的幾次昏了過去，仍堅貞不屈說：“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情況。
1935年12月13日，因趙一曼腿部傷勢嚴重，生命垂危，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，受到教育的兩人決定幫助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。1936年6月30日，趙一曼在奔往抗日游擊區的途中不幸被日軍追上，再次落入日軍的手里。趙一曼被帶回哈爾濱后，日本軍警對她進行了老虎凳、灌辣椒水，電刑等酷刑。但她始終堅貞不屈，沒有吐露任何實情。日軍知道從趙一曼的口中得不到有用的情報，決定把她送回珠河縣處死“示眾”。
1936年8月1日，日軍將她押往珠河。8月2日，日軍將其綁在大車上，在珠河縣城“游街示眾”。此時，趙一曼犧牲之前，面對敵人的屠刀，她高呼“打倒日本帝國主義”、“中國共產黨萬歲”的口號。當趙一曼昂首走到小北門外的草坪中央時，幾個軍警的槍口對準她。一個日軍軍官走到趙一曼跟前問：“你還有什么話要講嗎?”趙一曼怒視著，把手中的紙卷遞過去說：“把這些話傳給我家鄉的
兒子!”日軍官看過字條，向軍警們猛一揮手，罪惡的子彈射進趙一曼的軀體，犧牲于珠河縣(今黑龍江省尚志縣)小北門外，年僅31歲。