由于赵一曼腿部伤口溃烂化脓，生命垂危，敌人为了得到重要口供，就于12月13日夜里把她送进哈尔滨市立医院监视治疗。经过爱国医生张柏岩3个多月的精心治疗，赵一曼的腿伤已有好转。敌人为了便于对她审讯，把她安排在一个单人病房，而这也给赵一曼带来了活动的便利条件。她利用一切机会，向看守她的警察董宪勋进行爱国思想教育，向他讲了很多可歌可泣的抗日斗争事迹和革命道理。董宪勋是一个有正义感的青年，通过听“抗联”的斗争故事，使他对抗日英雄产生了敬佩之情。他还读了赵一曼写的文章，激起了他对日本帝国主义和汉奸的憎恨，唤起了他的爱国热情。经过20多天的时间，赵一曼终于把他争取过来。董宪勋表示愿意加入“抗联”，为民族解放献出生命。
敌人派来看护赵一曼的女护士、17岁的韩勇义是一个性格开朗活泼的姑娘，她知道自己护理的就是神话般的抗日女英雄，因此在护理中特别细心热情。赵一曼也像大姐一样关心她，给她讲“抗联”的故事，进行爱国思想教育，很快把她也争取过来。他们敬重赵一曼，决心帮助她逃出敌人的魔掌。
6月的一个夜里，值班的董宪勋闯进病房，神色慌张地告诉赵一曼：“日本人要枪决你了。”护士韩勇义听了连声哭泣。冷静下来后，他们一起想办法，董宪勋表示要想一切办法帮助赵一曼。开始赵一曼怕连累他们，但是经过苦劝，三人决定计划行动。韩勇义卖掉了自己的两只戒指和大衣，还把需要用的医疗用品准备好。他们决定赶在敌人之前的6月28日晚上行动。
经过周密的研究和准备，1936年6月28日夜里，韩勇义和董宪勋把赵一曼背出医院后门，坐上雇来的小汽车，开到郊区文庙附近。下了车，赵一曼又坐上事先等在这里的小轿子，于第二天早晨来到阿城县境内的金家窝棚董宪勋的叔叔董元策家里。在董元策的帮助下，当天夜里他们又坐上该屯群众魏玉恒的马车，准备奔往抗日游击区。
6月30早晨，就在距游击区只有20多里的李家屯附近，他们不幸被追捕的敌人赶上，赵一曼习惯地摸了摸平时挂枪的地方，才知道自己没有枪。她冷静地对董宪勋和韩勇义说：“别怕，无论出现什么事情，决不能说出我们去的地方。”敌人围住马车，用马鞭拼命地抽打赵一曼等人。赵一曼又落入了日伪的魔掌。
赵一曼等被带回哈尔滨，关进伪哈尔滨警察厅的拘留所里。敌人对赵一曼、董宪勋、韩勇义进行残酷的刑讯，董宪勋受刑过重死于狱中，韩勇义被判处徒刑。赵一曼始终坚贞不屈，敌人决定把她送回珠河县处死“示众”。
1936年8月2日凌晨，赵一曼被押上去珠河的火车，她知道最后的时刻到了，不禁想起远在四川的亲人、异国他乡的丈夫和在关内的已经7岁的儿子。她决定给儿子写一份遗书，并确信他一定能够看到。于是向押送的警察要了纸笔，饱含深情地写下了一位抗日母亲的殷切希望：
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。母亲因为坚决也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久没有再见的机会了。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而牺牲的！
你的母亲赵一曼于车中
1936年8月2日
1936年8月2日，敌人将赵一曼绑在大车上，来到珠河县小北门外示众。敌人问她：“你还有什么话要说？”赵一曼大义凛然回答道：“为抗日斗争而死是光荣的！”并高声呼喊：“打倒日本帝国主义！”人民的好女儿、杰出的爱国女英雄赵一曼壮烈地牺牲了，时年仅31岁。
赵一曼的英名和她的崇高气节永远活在人民的心中。哈尔滨人民把她战斗过的一条主要街道‘小街‘，改名为一曼大街。朱德曾亲笔为赵一曼题词：‘革命英雄赵一曼烈士永垂不朽！‘郭沫若在1962年4月9日也为纪念赵一曼，题写了充满革命激情的诗章：
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，
碧血染将天地红。
东北西南齐仰首，
珠河亿载漾东风。
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