赵一曼又被日本特务带回了哈尔滨警察厅。在审讯室里，日本特务头子林宽重不再掩饰自己，他露出狰狞的面孔，凶神恶煞地望着这个女共产党员，声嘶力竭地叫喊着：“你们是逃不掉的！”赵一曼被紧紧地绑着，一动也不能动。她的脸上、身上到处都是鞭痕和血迹。她神态安详地坐在地上。当她听到这头野兽嚎叫的时候，情绪激动起来，她也大叫着：“你们也是逃不掉的！总有一天，我们的人民也会在这里审判你们的！”
听到赵一曼的叫喊，林宽重突然转换了口气，说：“我是看重了你的骨气，才没有杀你，不是软弱！”赵一曼知道敌人又采取了他惯用的诱骗手段了。林宽重又接着说：“过去的事我们可以不再追究，只要你现在明白，马上回头还来得及，告诉我，你们要逃到什么地方去？”赵一曼轻蔑地看了林宽重一眼，冷冷地说：“回部队去！”林宽重听了赵一曼的回答，眼睛忽然一亮，似乎觉得有了一丝希望，紧紧追问：“你的部队在什么地方？”赵一曼依然冷冷地说：“在住的地方！”林宽重感到自己被她愚弄了，他气得在屋子里踱来踱去。突然，他转过身来装作满不在乎的样子说：“这个问题你不愿意谈，我们就不谈。”他停了片刻，把话题一转说：“但是，你不是想自由吗？只要你写个声明，就可以获得自由！”赵一曼面色毫无表情，仍是冷冷地说：“好吧，我写！拿笔拿纸来！”林宽重没想到她竟然如此痛快就能答应，马上吩咐手下的特务们准备好纸和笔，又亲自给赵一曼松了绑，然后得意忘形地站在一边等待赵一曼写声明。
赵一曼接过纸和笔，果断地挥笔写下了“打倒日本帝国主义！”几个刚劲有力的大字。站在身边的林宽重由刚才的得意渐渐地变得阴沉起来，气得脸色发灰。他杀气腾腾地冲过去抢过那张纸，把它撕得粉碎后狠狠地往地上一摔，狂叫着：“我要杀死你！”“你杀吧，你们杀死了多少中国人！你们可以杀死我，但却消灭不了共产主义的信仰。”林宽重兽性大发，猛地举起了屠刀，用刀背向赵一曼砍去，刀背重重地落在了她的肩膀上，她摇晃了两下，痛得昏倒在地上。
敌人又把赵一曼扔进牢房。阴冷的地面和铁窗外吹进的阵阵凉风使她渐渐苏醒过来，肩膀上剧烈的疼痛使她无法翻过身来，她只能静静地躺在地上。
她想起了韩勇义和董宪勋，他们现在在哪里？他们到底怎么样了？敌人对他们用刑了吗？这时她并不知道董宪勋已被敌人用了重刑，活活地被日本特务打死在监狱里了；韩勇义被日本特务送到伪法院判了一年的徒刑。
她又想起了自己的同志，入狱已经7个多月了，不知道他们都怎么样了？他们是不是又重新组织了力量继续与敌人作战了？他们是不是又打了胜仗？她想他们会坚持斗争的。她想起了她和二团的战友们在密林深处、在高山平原，灵活机动地与日伪军作战的情景。
她也想起了远离自己的亲人，想起了母亲听说她要离开家时那恋恋不舍的样子，不知她老人家身体怎样？他想起了引她走上革命道路的大姐夫郑佑之，不知他现在在哪里活动？是否还在与敌人作战？她想起了与自己最亲近的二姐，想起自己与二姐共同组织白花场妇女同盟会的情景，她现在在什么地方呢？她想起了自己的丈夫和儿子，他们是否能愉快地生活？
她想起了王团长、老于、老张头等已经牺牲的战友，她真想告诉他们，自己没有辜负党组织的培养，自己已经下定决心走他们走的道路。她想到自己马上就要告别人生、告别同志们。她感到欣慰的是自己是个真正的抗联战士，真正的共产党员，她已用尽了自己的全部力量与敌人斗争。
这一天，她的心一会儿也没有安静下来，她既作为一个革命战士，又作为一个女儿、妻子、母亲，她把自己该想的都想到了。她是多么热爱生活、多么向往人生呀！平时行军打仗很少有时间想想这些，如今已到了最后的时刻这些事情一骨脑地全部涌上了她的心头。
整整三天了，敌人不给她吃任何东西，甚至不许她喝一口水，她的嘴唇干裂得渗出了血，她的右膀子被刀背砍断，整个右胳膊搭拉着。敌人怕她再次跳跑，给她带上了沉重的铁镣。8月1日，赵一曼又被押解回珠河县，在被押解途中，她向敌人要了纸和笔，她要给她那未成年的儿子宁儿写封遗书，告诉宁儿自己牺牲之前要对他说的话：
宁儿：
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！
母亲和你在生前是永远没有再见的机会了。希望你，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，就用实际来教育你。
在你长大成人之后，希望不要忘记你的母亲是为国而牺牲的！
1936年8月2日
你的母亲赵一曼于车中
在儿子刚刚一周岁时，她就把他送到了丈夫的堂兄家抚养。以后奔忙于革命工作中，再也没有见过他，但赵一曼心中却无时无刻不在挂念着自己的亲骨肉。在她即将牺牲的时候，她更加思念自己的儿子，她希望儿子能接好革命的班，做个真正的革命后代。
到了珠河县伪公署，她又被关到她曾经住过的牢房。第二天天刚亮，她被敌人拖出来，五花大绑地捆在一辆马车上，周围站满了全副武装的军警。赵一曼明白了，敌人要把她押上刑场了。她将告别同志们、告别党、告别自己热爱的人民。她望着路两边的群众，真想对他们说点什么，但千言万语不知该怎么说，她轻轻地咳了一下，清了清干得直冒火的嗓子，用舌头舔了一下干裂的嘴唇，唱起了传遍东三省的、抗联战士最爱唱的《红旗歌》：
民众的旗，血红的旗，
收敛着战士的尸首，
尸首还没有僵硬，
鲜血已染透了旗帜，
牢狱和断头台来就来你的，
这就是我们的告别歌！
敌人吆喝着，不许她唱歌。她毫不理睬，虽然声音不大，但却充满了激情，充满了视死如归的精神，她坚定地唱着这支给她力量的歌曲。敌人看到这位临危不惧、勇于牺牲的抗联女英雄，胆颤心惊。跟在车后的群众被赵一曼的精神深深地感染，他们一直跟着这辆马车，为了向女英雄告别。敌人不住地阻拦着群众，不准许他们靠近。
马车到了小北门，敌人最后一次问赵一曼：“你还有什么要说的？”赵一曼望了望周围的群众，高声地说：“为抗日而死是光荣的！”她要向群众做最后一次讲演。敌人惊慌失措，七手八脚地把她从马车上拽下来。赵一曼从地上站起来，昂首挺胸，从容不迫，她奋力地高呼“打倒日本帝国主义！”“中国共产党万岁！”
罪恶的子弹响了。震动了珠河县。抗日女民族英雄倒下去了。为了党的事业，为了抗日救国，她献出了自己年轻的生命，牺牲时她只有31岁。
赵一曼牺牲了，但半个多世纪以来，人们一直深深地怀念她。她的家乡宜宾县为她建立了纪念馆。郭沫若同志曾为纪念馆题了诗：
蜀中巾帼富英雄，
石柱犹存良玉踪。
四海今歌赵一曼，
万民永忆女先锋。
青春换得江山壮，
碧血染得天地红。
东北西南齐仰首，
珠河亿载漾东风。
她曾经住过的哈尔滨市立医院所在的那条街被命名为“一曼街”。她在东北参加抗日斗争和与敌人在狱中殊死斗争的事迹被陈列在东北烈士纪念馆。
赵一曼英勇地牺牲了。她的名字回荡在白山黑水间，响彻在中国大地上。