五四运动期间，赵一曼受到革命思想影响。
1924年，大姐夫郑佑芝用通讯的方式介绍她加入社会主义青年团。
1926年夏，她加入共产党，曾任共青团宜宾地委妇女委员和县国民党党部代理妇女部长。
1927年夏，武汉政府反共，她转移到上海，随即去莫斯科中山大学学习，翌年与同学陈大榜（陈达邦）结婚。
1928年冬，她因疾病和身孕，奉调回国，先后到宜昌、上海、南昌等处做地下工作。
1932年春，她被派到东北地区工作，更名为赵一曼，先后在奉天（沈阳）、哈尔滨领导工人斗争。翌年，为掩护身份，她曾同满洲总工会负责人老曹（黄维新）假称夫妻。
1934年4月，她赴哈尔滨以东的抗日游击区，任珠河中心县委委员，后任珠河区委书记。
1935年秋，她兼任东北人民革命军第三军一师二团政委，被当地战士们亲切地称为“我们的女政委”。
在游击区里，赵一曼同群众关系非常密切。她患有肺炎，身体虚弱，化名李一超的她，被乡亲们亲切地称为“瘦李”、“李姐”。
1935年11月，她率领的部队被日伪军包围，她要团长带队突围，自己担任掩护，左手手腕中弹负伤。她在村里隐蔽养伤被敌人发现，奋起迎战时左大腿骨被子弹打穿，因流血过多昏迷而被捕。
赵一曼负伤被捕解到哈尔滨后，日寇和伪满的警察头目立即对她进行审讯。此时，她伤口不断流出的鲜血湿透了棉衣，依然滔滔不绝地痛斥日寇侵占中国东北的暴行。负责审讯的日本特务恼羞成怒，竟用竹签从她的指甲缝中钉进去，用鞭子狠戳赵一曼的伤口，使她几次昏死过去。日寇将她送到医院，伤势刚好一点，日寇又在病床前审问，赵一曼依然坚不吐实，日寇拳打脚踢，她的伤口再度破裂，又昏迷过去。医护人员甚至包括看守的警察都对她产生了敬佩。赵一曼牺牲之前，最想念的是自己的儿子赵掖贤。
临产的时候，她正在宜昌做地下工作，把孩子生在一个陌生好心妇女的半间砖房中。在往上海找党组织的途中，她身无分文，背着孩子一路讨饭，受尽了千辛万苦，几乎在上海街头把孩子卖掉。赵一曼临刑前一天，给“宁儿”写了一封遗书，读来催人泪下——“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。希望你，宁儿啊！赶快成人，来安慰你地下的母亲！
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1日，敌人把她押到珠河县，在公开处决前绑在一辆马车上游街示众。
她一路唱着《红旗歌》，沿途许多群众感动得流泪，就义时年仅31岁。
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