面對來勢洶洶的日軍，置生死於度外的趙壹曼忍著痛，痛斥日軍侵華以來的種種罪行。見趙壹曼不肯屈服，兇殘的日軍用皮鞭刺向他的腿部。身負重傷的趙壹曼表現出了強烈的生產黨員的意誌和抗日到底的決心。他痛得幾次昏厥，仍然堅定地說:“我的目的，我的信條，我的信仰，就是抗滿抗日。”對反工會只字未提。
1935 12 13，趙壹曼腿部重傷，生命垂危。日軍為了得到壹份重要供詞，把她送到哈爾濱市立醫院監護治療。住院期間，趙壹曼利用各種機會對看守她的民警董賢勛和女護士韓永義進行教育。他們深受感動，決定幫助趙壹曼逃出日軍的魔掌。6月28日，1936，董賢勛、韓永義擡著趙壹曼出了醫院，送他上了事先雇好的車。輾轉反側之後，趙壹曼去了董賢勛在阿城縣金家窩的舅舅家。6月30日，趙壹曼在前往抗日遊擊區途中被追擊的日軍追上，再次落入日軍魔掌。
趙壹曼被帶回哈爾濱後，殘暴的日本憲兵用老虎凳子和辣椒水折磨她。根據敵偽檔案，日本憲兵為了逼她供出抗聯和黨的地下組織的秘密，對她進行了殘酷的折磨。酷刑前後使用了數十種酷刑，包括電刑。在那次酷刑中，日本憲兵從後面把趙壹曼的手腳綁在壹起，赤身裸體地掛在絞刑架上(酷刑開始時，日本憲兵剝光了趙壹曼所有的衣服和褲子，這在文獻中並沒有真正反映出來)，然後把電極的壹端放在趙壹曼的乳頭上，另壹端分別插入導尿管和陰道，對她進行可怕的電擊。根據當時的審訊記錄，刑訊逼供時被施以辣椒水和汽油的趙壹曼，在沒有喊叫的情況下，用彈尖摩擦肋骨，反復燒灼乳房，“兩眼直翻，口吐白沫，多次大小便失禁”，忍不住“劇烈尖叫”，而且“尖叫聲越來越劇烈，恐怖的尖叫聲忽上忽下，甚至發出斷斷續續的上下滑動的顫音。”連膽汁都吐了出來”，最後連被電極夾住的乳頭也開始慢慢變黃，直到整個乳暈都被燒成了兩個銅幣那麽大的黑色疤痕。恥骨前區部分體毛逐漸燒焦，皮下靜脈網呈樹枝狀。”……在受到處罰後，“趙壹曼女士的乳頭、乳房、泌尿器官、陰道均有不同程度的碳化”。……由此可見，這個刑法是多麽的殘酷和不堪。但她依然堅定不移，沒有透露任何真相。
日軍知道趙壹曼不可能得到有用的信息，於是決定把她送回賀鑄縣處死。8月2日，趙壹曼在賀鑄縣(今尚誌市)被送上火車。她知道日本軍隊要槍斃她。這時，她想到了遠在四川的兒子。她向押送她的警察要了紙筆，含淚給兒子寫了壹封遺書:“妳母親沒能盡到教育的責任，真的很可惜。因為我母親堅決抗擊滿洲和日本，今天是犧牲前夕。希望妳，寧兒！做個大人，安慰壹下妳的地下媽媽！妳長大後，我希望妳不要忘記妳母親是為國捐軀的！”
中國人民將永遠記住女英雄趙壹曼可歌可泣的抗日事跡。新中國成立後，朱德為趙壹曼題詞“革命英雄趙壹曼烈士永垂不朽”，哈爾濱將她戰鬥過的壹條主要街道命名為壹曼街。
1962年4月9日，郭沫若為趙壹曼寫了壹首充滿革命激情的詩:
蜀中女大豪傑多，石柱中尚有好玉痕跡。
四海今日唱趙壹曼，人民永遠記得這位女先鋒。
青春換強國，碧血會紅遍天下。
東北西南齊舉手，珠江溢東風億萬年。