1931年九一八事变后，赵一曼被中国共产党派到东北地区领导革命斗争。1934年担任中共珠河中心县委委员兼铁道北区委书记，组织抗日自卫队，与日军展开游击战争。1935年担任东北人民革命军第3军第1师第2团政委，11月，与日伪军作战时不幸因腿部受伤被捕。日军为了从赵一曼口中获取到有价值的情报，找了一名军医对其腿伤进行了简单治疗后，连夜对其进行了严酷的审讯。
面对凶恶的日军，将生死置之度外的赵一曼忍着伤痛怒斥日军侵略中国以来的各种的罪行。凶残的日军见赵一曼不肯屈服，使用马鞭狠戳其腿部伤口。身负重伤的赵一曼表现出了一个共产党员坚强的意志和誓死抗日的决心，痛的几次昏了过去，仍坚定地说：“我的目的，我的主义，我的信念，就是反满抗日。”没说出一字有关抗联的情况。
1935年12月13日，因赵一曼腿部伤势严重，生命垂危，日军为得到重要口供，将她送到哈尔滨市立医院进行监视治疗。赵一曼在住院期间，利用各种机会向看守她的警察董宪勋与女护士韩勇义进行反日爱国主义思想教育，两人深受感动，决定帮助赵一曼逃离日军魔掌。1936年6月28日，董宪勋与韩勇义将赵一曼背出医院送上了事先雇来的小汽车，经过辗转后，赵一曼到了阿城县境内的金家窝棚董宪勋的叔叔家中。6月30日，赵一曼在准备奔往抗日游击区的途中不幸被追捕的日军赶上，再次落入日军的魔掌。
赵一曼被带回哈尔滨后，凶残的日本军警对她进行了老虎凳、辣椒水等更加严酷的刑讯。据敌伪档案记载，日本宪兵为了逼迫她供出抗联的机密和党的地下组织，对她进行了残酷的拷问。刑讯前后采用的酷刑多达几十种，其中就包括电刑。在那次刑讯中，日本宪兵将赵一曼的手脚从背后绑在一起，将其一丝不挂地吊在刑架上（当刑讯一开始，日本宪兵就将赵一曼的衣裤全部剥光，这一事实在文学作品中没有得到真实反映），然后将电极一端夹在赵一曼的乳头上，另一端分别插入导尿管和阴道内，对她施以惨绝人寰的电刑。据当时的审讯记录记载，曾在刑讯中经受了灌辣椒水和汽油,子弹尖头摩擦肋骨,反复烙烫乳房也没有喊叫一声的赵一曼，“两眼直翻，口吐白沫，多次出现大小便失禁”，也忍不住“发出厉声惨叫”，而且“叫得越来越厉害，令人心悸的惨叫声忽起忽落，甚至不断发出一种间歇性的上滑颤音和下滑颤音，越来越惨烈，身体剧烈抖动”。“连胆汁也呕吐出来”，最后连被电极夹住的“乳头也开始慢慢焦黄，直至把整个乳晕焦成两个铜钱般大的黑瘢。耻骨前区的部分体毛也渐渐地被烤焦，皮下静脉网呈树枝状”。……。受刑后，“赵一曼女士的乳头、乳房、泌尿器官和阴道的组织呈不同程度的炭化状”。……。由此可以看出，这种刑法是何等地残暴和难以忍受。但她始终坚贞不屈，没有吐露任何实情。
日军知道从赵一曼的口中得不到有用的情报，决定把她送回珠河县处死“示众”。8月2日，赵一曼被押上去珠河县（现尚志市）的火车，她知道日军要将她枪毙了，此时，她想起了远在四川的儿子，她向押送的警察要了纸笔，给儿子写了一封催人泪下的遗书：“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。希望你，宁儿啊！赶快成人，来安慰你地下的母亲！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！”
中国人民会永远牢记女民族英雄赵一曼可歌可泣的抗日事迹。新中国成立后，朱德为赵一曼题写了“革命英雄赵一曼烈士永垂不朽”的题词，哈尔滨市将她战斗过的一条主街命名为一曼大街。