1931年“九一八”事变后，调到东北，在沈阳工厂中领导工人斗争。
1932年赵一曼任满洲总工会秘书，组织部长。
1933年，赵一曼任哈尔滨总工会代理书记。同年4月，参加领导了哈尔滨电车工人反日罢工斗争。为掩护身份她曾同满洲总工会负责人老曹（黄维新）假称夫妻。
1934年春，赵一曼任中共珠河中心县委委员、铁北区区委书记，发动群众，建立农民游击队，配合抗日部队作战。后兼任东北人民革命军第三军第二团政治委员，率部活动于哈尔滨以东地区，给日伪以沉重的打击。7月，她赴哈尔滨以东的抗日游击区，任珠河中心县委委员，后任珠河区委书记，一度被抗联战士误认为是赵尚志总司令的妹妹。
1935年秋，赵一曼兼任东北人民革命军第三军一师二团政委，群众亲切称她“瘦李”、“李姐”，而当地战士们则称她为“我们的女政委”。日伪报纸也惊叹这位“红枪白马”的妇女。
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1936年8月1日，日军将她押往珠河。8月2日，日军将其绑在大车上，在珠河县城“游街示众”。此时赵一曼牺牲之前，面对敌人的屠刀，她高呼“打倒日本帝国主义”、“中国共产党万岁”的口号。当赵一曼昂首走到小北门外的草坪中央时，几个军警的枪口对准她。一个日军军官走到赵一曼跟前问：“你还有什么话要讲吗？”
赵一曼怒视着，把手中的纸卷递过去说：“把这些话传给我家乡的儿子！”日军官看过字条，向军警们猛一挥手，罪恶的子弹射进赵一曼的躯体，牺牲于珠河县（今黑龙江省尚志县）小北门外，年仅31岁。
