在敌人的监狱中，日军对赵一曼动用各种惨无人道的酷刑，但是，赵一曼始终是忍着伤痛怒斥日军侵略中国以来的各种的罪行。日军见赵一曼始终不肯屈服，就使用马鞭狠戳其腿部伤口。然而，身负重伤的赵一曼表现出了一个中国人顽强不屈、视死如归的决心和意志。虽然几次痛疼得昏了过去，但她仍然坚贞不屈地说：“我的目的，我的主义，我的信念，就是反满抗日。”
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，受到教育的两人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。两天后，赵一曼在奔往抗日游击区的途中不幸被日军追上，再次落入日军的魔窟。赵一曼被押回哈尔滨后，日军对她动用了老虎凳、灌辣椒水，电刑等所有惨无人道的酷刑。但赵一曼始终坚贞不屈，大义凛然，并不吐露半句真情。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1日，日军将赵一曼押往珠河。第二天，日军将她绑在大车上，在珠河县城“游街示众”。此时，赵一曼慷慨赴难，视死如归。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？”赵一曼昂然地说：“为抗日斗争而死是光荣的！”日军军官恼羞成怒，向那几个军警猛一挥手，一排罪恶的子弹便射进赵一曼的胸膛。就这样，赵一曼牺牲于珠河县，即今天的黑龙江省尚志县小北门外，年仅31岁。
赵一曼在慷慨就义之时，曾饱含热泪给儿子留下了一封遗书，上面写道：“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！”这是抗日女英雄让人热血沸腾的血泪家书，也是赵一曼对儿子长大成人之后要继承母亲遗志投入抗日斗争的谆谆遗嘱。
赵一曼英勇就义后，日伪军用一块毛毯将烈士的遗体包裹之后抬到山上，倒上汽油将英雄的遗体烧掉。赵一曼烈士尸骨未存，也没有坟墓。很多年以后，人们在她的牺牲地为这位民族英雄塑像立碑。如今，已经成为爱国主义教育基地。
新中国建立后，党和国家领导人对赵一曼给予了高度评价。朱德题词“革命烈士赵一曼永垂不朽！”
董必武为赵一曼赋诗：“革命潮声杂鼓鼙，宜宾儿女动深闺。焉能照旧营生活？奋起从军弁易笄。北伐旗开胜未终，叛徒决策反工农。招来日寇山东阻，民族危机迫再逢。北去南来党命御，不因负病卸仔肩。工农解放须参与，抗日矛头应在先。抗倭未胜竟成俘，不屈严刑骂寇仇。自是中华好儿女，珠河血迹史千秋。”
陈毅为赵一曼写下了六言诗：“生为人民干部，死为革命英雄。临敌大节不辱，永记人民心中。”
2005年7月7日，在《伟大胜利——纪念中国人民抗日战争暨反法西斯战争胜利60周年大型主题展览》中，有700多件抗日战争时期的珍贵文物与世人见面。其中，就有抗日女英雄赵一曼在就义时写给儿子的一封家书手稿，可谓是字字千钧，句句血泪。慈母情怀，催人泪下；悲壮豪情，激励后人！赵一曼在就义时写给儿子的血泪家书，让无数参观者感怀至深，不禁泪水潸然。
