1935年秋，她被調遣到東北人民革命軍，出任第三軍一師二團政委。
在遊擊區裏，趙一曼化名為李一超，當時她患有肺結核，身體瘦弱，被鄉親們親切地稱為“瘦李”、“李姐”。然而，這位痼疾纏身的女子一旦活躍在東北抗日戰場上，很快就名揚四方，其紅槍白馬的英姿為東北占領區人民津津樂道，連偽滿州國的報紙也刊登了題為《共匪女頭領趙一曼，紅槍白馬猖獗於哈東地區》的報道，內容雖摻雜汙蔑不實之辭，卻也將她描繪得神乎其神。當時，趙一曼的詩作《濱江述懷》流傳甚廣，這首詩顯示出一位奇女子的非凡之誌：
誓誌為人不為家，跨江渡海走天涯。
男兒若是全都好，女子緣何分外差？
未惜頭顱新故國，甘將熱血沃中華。
白山黑水除敵寇，笑看旌旗紅似花。
1935年11月，趙一曼的部隊遭到日、偽軍偷襲，她命令團長帶隊突圍，自己帶隊擔任掩護，團長不同意她留下來，理由很簡單：她是女同誌。軍情十萬火急，趙一曼一改平日和藹可親的態度，厲聲吼道：“什麼男的女的！誰說女同誌就不能打掩護！”在這次激烈的戰鬥中，趙一曼的左手手腕中彈負傷，她轉移時左大腿骨又被子彈擊碎，因失血過多而昏迷。
趙一曼被押解到哈爾濱後，日寇和偽滿警察頭目立即對她進行刑訊逼供。此時，她的傷口仍在流血，棉衣變成了血衣，可她的勇氣有增無減，依然滔滔不絕地痛斥日寇侵占中國東北三省的暴行。負責提審她的日本鬼子大野泰治見她堅不吐實，不禁惱羞成怒，反複使用酷刑，將竹簽釘進她的手指，用鞭子狠戳她的傷處，用電熨鬥燙烙她的乳房，這些毒招固然會增加趙一曼身體上的痛楚，卻無法擊潰她的精神防線。日寇見硬的不行，又來軟的，將她送進醫院，為她療傷。但不管他們怎麼出招，趙一曼都是見招拆招，四兩撥千斤，讓日本鬼子一無所得。在這個鬥智鬥勇的過程中，醫護人員甚至包括看守的警察都對她先刮目相看，油然而生敬佩之情。當時，負責看守趙一曼的偽滿警察董憲勳和醫院女護士韓勇義原本就明白抗日救國的道理，又受到她英勇事跡的打動，於是決心參加抗聯隊伍。
1936年6月28日深夜，得到董、韓二人的協助，趙一曼逃出了醫院，乘坐馬車奔向抗日遊擊區。然而，不幸的是，在第三天淩晨，偽滿騎警隊追上了他們乘坐的馬車，趙一曼再次落入魔爪。麵對新一輪的酷刑，趙一曼怒斥敵寇：“你們可以將整個村莊焚為瓦礫，可以把活人剁成肉泥，可是你們消滅不了中國人抗日必勝的信念！”
1936年8月1日，徹底喪失了耐心的日寇決定殺害這位抗聯女勇士，他們將她押解到珠河縣城，綁在一輛馬車上遊街示眾。趙一曼神色如常，視死如歸，犧牲時年僅三十一歲。日寇凶殘至極，將趙一曼和一同犧牲的周百學曝屍荒郊，不許百姓收葬，屍骨被野狗撕碎，其狀至慘。
受刑前，趙一曼給她遠方摯愛的寧兒（陳掖賢）寫了兩封催人淚下的遺書——
寧兒：母親對於你沒有能盡到教育的責任，實在是遺憾的事情。母親因為堅決地做了反滿抗日的鬥爭，今天已經到了犧牲的前夕了！母親和你在生前是永久沒有再見的機會了！希望你，寧兒啊！趕快成人，來安慰你地下的母親！我最親愛的孩子啊，母親不用千言萬語來教育你，就用實行來教育你！在你長大成人後，希望不要忘記你的母親是為國而犧牲的！（1936年8月2日你的母親趙一曼於車中）
親愛的我的可憐的孩子：……母親到東北來找職業，今天這樣不幸的最後，誰又能知道呢？……母親的死不足惜，可憐的是我的孩子，沒有能給我擔任教養的人。母親死後，我的孩子要替代母親繼續鬥爭，自己壯大成人，來安慰九泉之下的母親！……你的父親到東北來死在東北，母親也步著他的後塵。我的孩子，親愛的可憐的我的孩子啊！母親也沒有可說的話了。我的孩子自己好好學習，就是母親最後的一線希望。（1936年8月2日在臨死前的你的母親）