1934年12月，大批日伪军对珠河抗日游击根据地开展冬季“讨伐”。由于叛徒吴某告密，敌人着重搜索我后方医院所在地四方顶子和苇塘沟一带。当时赵一曼脖子上长个疮，住在后方医院，不幸被敌人捕去。在拘押期间赵一曼有效地对伪军连长进行抗日宣传，她说：“你做事要想着你是中国人，在战场上我们兵戎相见，但你不能杀害手无寸铁的中国同胞。你杀我可以但我绝不死在日本人手里。”伪军连长听罢其大义凛然的话语，深受感动，启发了他的民族觉悟，最后将赵一曼释放。
1935年2月，赵一曼被任命为珠河县铁道北地区区委书记。她继续在游击根据地从事党的地方工作，以支援、配合东北人民革命军第三军（由哈东支队扩编而成）开展抗日游击战争。珠河游击根据地的存在与发展给日伪统治以极大威胁。1935年7、8月间，敌人调动大批日伪军再次闯入珠河游击根据地，对抗日军民进行空前的“大讨伐”。在这种情况下，珠河中心县委于9月10日召开会议，作出《目前哈东政治形势与我们任务的决议》，决定由赵尚志率领第三军主力离开珠河，去松花江下游汤原等地开辟新游击区，同时留下部分队伍在珠河游击根据地坚持斗争。据此第三军二团大部随主力去汤原，其余部吸收珠河五区模范队、青年义勇军编成新二团留守游击根据地。由王惠同任团长，赵一曼任政治部主任。
在反“讨伐”斗争中，赵一曼、王惠同率领新二团在珠河游击根据地与敌军进行数次血战。当时天气渐冷，战士衣着单薄，他们经常风餐露宿与敌人作战，有力地策应了赵尚志所率第三军主力部队的活动。对于赵一曼的抗日活动，日伪报纸曾以“红装白马女匪首，狂奔于密林中”做过报道。1935年11月15日，新二团在铁道北春秋岭活动时，被日伪军包围。在突围激战中，我军虽击毙日军横山部队机关枪队队长古谷清一等数人，但也受到很大损失。团长王惠同负伤被俘，后被杀害。赵一曼左手腕被敌人子弹打穿。许多战士牺牲，队伍被敌人打散。之后赵一曼与另外四人转移至西北沟，在一所空房子里养伤，准备再找失散的队伍。11月22日，由于汉奸告密，珠河伪警察队首席指导官远间重太郎和伪警察中队长张福兴率第三中队包围了赵一曼所住的房子。战斗中两名同志牺牲，赵一曼左腿负重伤。在子弹打光后退无路的情况下，赵一曼等三人被俘。
赵一曼等被押回县公署大院，正在珠河的伪滨江省警务厅特务科股长大野泰治见其流血过多，怕她死掉，取不到口供，便马上对她进行审讯。审讯中大野残暴地用鞭子抽打她，用鞭杆戳她的伤口，逼她承认共产党员身份，讲赵尚志部队的情况。此时赵一曼只是愤怒地瞪着大野，对组织的机密守口如瓶。但当大野问她“为什么进行抗日活动？”时，赵一曼却一下打开嗓门，作出义正辞严的回答：“我是中国人，中国人民反抗日本侵略还用得着解释吗？”接着她对“日满亲善”、“王道乐土”等欺骗宣传和日本侵略者的罪行进行了充分地揭露和严厉的控诉。敌人从她的坚强态度上认为，她是“一个以珠河为中心，把三万多农民坚固地组织起来的中心指导者”。
第五天赵一曼由大野泰治亲自监视，从珠河乘火车，被押解到哈尔滨，关在伪滨江省公署警务厅看守所里。以后大野对身负重伤的赵一曼几乎每天用各种酷刑进行一小时的审讯。但不管敌人是引诱软化，还是以死威胁，都不能动摇她坚强的革命意志。她回答敌人说：“我的主义就是抗日，正如你们的职责是以破坏抗日会逮捕我们为目的一样，我有我的目的，进行反满抗日运动并宣传其主义，就是我的目的，我的主义，我的信念。”十余天后，赵一曼腿部伤口已溃烂，病情危重。此时大野等敌寇仍不死心，决定给她治疗，幻想医愈后“好当作破坏抗日组织的‘反间’用”。12月13日，赵一曼被送进哈尔滨市市立医院（现哈医大附属第一医院住院部旧楼）。入院后经Х光照相发现，其左大腿呈粉碎性骨折，在软组织中，竟有二十余块碎骨片。敌人为了保住她的生命，决定给她做截肢手术。但是遭到赵一曼的断然反对。以后在市立医院外科大夫张柏岩的精心治疗下，赵一曼的伤势逐渐好转。大约经三四个月，她已经能够拄着拐杖散步了。1936年3月，赵一曼从第一病房迁到第六病房（现医大邻一曼街小二楼处）。并派警士董宪勋和护士韩勇义监视、看护她。
董宪勋和韩勇义都是具有强烈民族意识的爱国青年。赵一曼常常向他们讲述党领导的东北人民革命军与日本侵略者英勇斗争的可歌可泣的活动情形，及在宾县、珠河、延寿等地深山里，他们的生活是多么富有革命意义。她把日本侵略者的种种暴虐罪行和驱逐日寇、推翻满洲国是每个中国人的神圣使命写在包药的纸上，让他们看。经过赵一曼的教育，董宪勋和韩勇义都表示要作一个反满抗日的志士，要帮助赵一曼脱逃，一起奔赴哈东抗日根据地。6月上旬，从伪警务厅传来了将有一批伪警察调动工作的消息。为了争取主动，6月24日，赵一曼召集董、韩二人开会，决定6月28日逃走。（四）6月28日，是个星期天。董宪勋与韩勇义乘医院公休，守卫松懈之机，于当晚9时，将赵一曼从第六病房后门抬入汽车。之后沿山街向太平桥方向开去。到文庙附近屠宰场后身，赵一曼下车，乘上事先预备好的小轿，由轿夫抬着逃出哈尔滨。当夜赵一曼和董宪勋、韩勇义三人又在金家窝棚换乘一辆马车，向宾县三区抗日游击根据地奔去。
6月29日晨，敌人发现赵一曼逃走。于是对28日出入第六病房的人员及车辆进行了严格的调查。结果发现了那个俄国人司机。根据他的口供，敌人又找到了道外轿铺，随即派出伪警察快速向宾县三区方向追赶。6月30日晨，在仅距游击根据地二十里的李家屯附近，赵一曼等三人被敌人追捕。
赵一曼被捕后，敌人把她关进哈尔滨市伪警察厅拘留所（现东北烈士纪念馆地下室）。残暴的伪警察厅特高股长林宽重指令凶手用汽油灌、皮鞭抽、烙铁烫、铁条扎等种种酷刑加倍折磨赵一曼。但赵一曼始终坚贞不屈，毫不动摇。她怒斥特务头子林宽重道：“你们这些强盗可以让整座村庄变成瓦砾，可以把人剁成烂泥，可是，你们消灭不了共产党人的信仰。”与赵一曼同时被捕的董宪勋、韩勇义在其影响下，也表现得十分勇敢、坚强。
一个月后敌人对赵一曼再也无计可施了，于是决定将其处死。1936年8月2日，赵一曼被敌人押解到她曾经战斗过的地方———珠河县。在前往珠河的火车上，赵一曼镇定自若。敌伪档案资料记载：“在押送途中，她虽然感到死亡逼近，但她丝毫没有表现出惊慌的态度，反而透露了为抗日斗争而死才是光荣的口吻。”在列车中，赵一曼从押送的敌人手中要来纸笔，给心爱的儿子写下了感情炽热的遗言书：“宁儿！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。母亲和你在生前是永久没有再见的机会了。希望你宁儿啊！赶快成人，来安慰你地下的母亲！我最亲爱的孩子啊！母亲不用千言万语来教育你，就用实际来教育你。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！一九三六年八月二日你的母亲赵一曼于车中”
赵一曼写完之后，觉得余言未尽，又提笔写下了：“母亲死后，我的孩子要替代母亲继续斗争，自己壮大成人，来安慰九泉之下的母亲。”
到了珠河敌人把赵一曼架在一辆车上“游街示众”。但她气势昂扬，视死如归。当日年仅三十一岁的赵一曼在珠河小北门外英勇就义。临刑前她举起铐着手铐的双臂，高呼“中国共产党万岁！”、“打倒日本帝国主义！”等口号。对此敌人资料记载说：“其态度从容，毫无惧色，令人震惊。”
党和人民没有忘记这位为了中华民族的解放而英勇献身的优秀儿女。东北光复后为了永远纪念她，当地政府将她从医院逃离哈尔滨时所经过的山街，改名为一曼街。同时将她遭受酷刑的原哈尔滨市伪警察厅改建为东北烈士纪念馆。为赞颂、褒扬这位巾帼英雄，朱德委员长曾题词：“革命英雄赵一曼烈士
