1931年九一八事變後，趙一曼被中國共產黨派到東北地區領導革命鬥爭。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，與日僞軍作戰時不幸因腿部受傷被捕。日軍爲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後，連夜對其進行了嚴酷的審訊。
面對兇惡的日軍，將生死置之度外的趙一曼忍着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，使用馬鞭狠戳其腿部傷口。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情況。
1935年12月13日，因趙一曼腿部傷勢嚴重，生命垂危，日軍爲得到重要口供，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勳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，決定幫助趙一曼逃離日軍魔掌。1936年6月28日，董憲勳與韓勇義將趙一曼背出醫院送上了事先僱來的小汽車，經過輾轉後，趙一曼到了阿城縣境內的金家窩棚董憲勳的叔叔家中。6月30日，趙一曼在準備奔往抗日遊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後，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。據敵僞檔案記載，日本憲兵爲了逼迫她供出抗聯的機密和黨的地下組織，對她進行了殘酷的拷問。刑訊前後採用的酷刑多達幾十種，其中就包括電刑。在那次刑訊中，日本憲兵將趙一曼的手腳從背後綁在一起，將其一絲不掛地吊在刑架上（當刑訊一開始，日本憲兵就將趙一曼的衣褲全部剝光，這一事實在文學作品中沒有得到真實反映），然後將電極一端夾在趙一曼的乳頭上，另一端分別插入導尿管和陰道內，對她施以慘絕人寰的電刑。據當時的審訊記錄記載，曾在刑訊中經受了灌辣椒水和汽油,子彈尖頭摩擦肋骨,反覆烙燙乳房也沒有喊叫一聲的趙一曼，“兩眼直翻，口吐白沫，多次出現大小便失禁”，也忍不住“發出厲聲慘叫”，而且“叫得越來越厲害，令人心悸的慘叫聲忽起忽落，甚至不斷髮出一種間歇性的上滑顫音和下滑顫音，越來越慘烈，身體劇烈抖動”。“連膽汁也嘔吐出來”，最後連被電極夾住的“乳頭也開始慢慢焦黃，直至把整個乳暈焦成兩個銅錢般大的黑瘢。恥骨前區的部分體毛也漸漸地被烤焦，皮下靜脈網呈樹枝狀”。……。受刑後，“趙一曼女士的乳頭、乳房、泌尿器官和陰道的組織呈不同程度的炭化狀”。……。由此可以看出，這種刑法是何等地殘暴和難以忍受。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“示衆”。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：“母親對於你沒有能盡到教育的責任，實在是遺憾的事情。母親因爲堅決地做了反滿抗日的鬥爭，今天已經到了犧牲的前夕了。希望你，寧兒啊！趕快成人，來安慰你地下的母親！在你長大成人之後，希望不要忘記你的母親是爲國而犧牲的！”
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蹟。新中國成立後，朱德爲趙一曼題寫了“革命英雄趙一曼烈士永垂不朽”的題詞，哈爾濱市將她戰鬥過的一條主街命名爲一曼大街。
