大革命失败后，赵一曼按照党组织安排转移到上海。9月，被派往苏联莫斯科中山大学学习。1928年回国，在宜昌、南昌和上海等地进行党的秘密工作。
    “九一八”事变后，被党组织派往东北地区发动和组织群众进行抗日斗争。1932年秋到哈尔滨，任满洲总工会秘书、组织部长、代理书记，曾参加领导1933年的哈尔滨电车工人大罢工。1934年，任中共珠河（今尚志）中心县委特派员、铁北区委书记，组织领导当地工人农民成立反日游击队，与日伪军进行斗争。
    1935年秋，她任东北抗日联军第3军第1师第2团政治委员。同年11月，她和团长带领部队被日伪军包围在一座山里。她沉着地协助团长指挥部队与日伪军激战，连续打退敌人6次进攻，但由于敌我兵力悬殊，无法打破敌人包围。突围中，赵一曼身负重伤。在珠河县春秋岭附近一农民家中养伤时，被搜捕的日军发现，战斗中她再度负伤，昏迷被俘。日军对她施以酷刑，逼其投降招供，她宁死不屈。为得到口供，日军将她送进医院监护治疗。在医院监护治疗的几个月里，她教育争取中国籍看护人员。1936年6月28日，在看护人员帮助下逃出医院。6月30日晨，被日本军警追捕再度被俘。敌人对她施以更加残酷的刑讯，仍毫无所得，遂1936年8月2日把她押回她曾战斗过的珠河县处死示众。临刑前，她高呼“打倒日本帝国主义！”“中国共产党万岁！”壮烈牺牲时，年仅31岁。