被俘期间，日军对赵一曼施以酷刑，用钢针刺伤口，用烧红的烙铁烙皮肉，逼其招供。她宁死不屈，严词痛斥日军侵略罪行。为了得到口供，日军将她送进医院监护治疗。在医院里，她积极宣传抗日救国的道理，教育争取看护和看守人员。１９３６年６月２８日，赵一曼在医院看护和看守帮助下逃出医院，但很快被追敌再度抓捕，受到更加残酷的刑讯。
１９３６年８月２日，赵一曼被押上去珠河的火车。她知道最后的时刻到了。在这最后的时刻，她给心爱的儿子写下遗书：“宁儿啊！赶快成人，来安慰你地下的母亲！我最亲爱的孩子啊！母亲不用千言万语来教育你，就用实行来教育你。在你长大成人之后，希望不要忘记你的母亲是为国牺牲的！”临刑前，她高唱《红旗歌》，“民众的旗，血红的旗，收殓着战士的尸体，尸体还没有僵硬，鲜血已染红了旗帜……”她高呼“打倒日本帝国主义！”“中国共产党万岁！”壮烈牺牲，年仅３１岁。
为纪念赵一曼，哈尔滨的一条主要街道命名为一曼大街。在她的故乡宜宾市建有赵一曼故居、赵一曼纪念馆等。
近年来，宜宾市、叙州区积极传扬烈士事迹和“一曼精神”。２０１７年，宜宾市启动了“百校同演同看《赵一曼》”活动，通过在全市学校排练话剧《赵一曼》不同片段的方式，让赵一曼的事迹在青年学子中种下红色基因。
