其招供。她宁死不屈，严词痛斥日军侵略罪行。“你们消灭不了共产党人的信仰，打败不了中国人的抗日决心！”为了得到口供，日军将她送进医院监护治疗。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、泼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。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！”
1936年8月2日，在珠河被敌杀害。临刑前，她高唱《红旗歌》，高呼“打倒日本帝国主义！”“中国共产党万岁！”视死如归，从容就义。时年31岁.
为纪念这位东北抗日战场上名扬四方的女英烈，哈尔滨的一条主要街道被命名为一曼大街。朱德、宋庆龄、董必武等党和国家领导人为她题了词。郭沫若称赞她是“甘将热血沃中华”
1959年5月，在四川省宜宾市翠屏山腰的翠屏书院，建立了抗日民族英雄赵一曼烈士事迹陈列室，后更名为赵一曼事迹纪念馆，位于四川省宜宾市翠屏山腰的翠屏书院。原名抗日民族英雄赵一曼烈士事迹陈列室。